[論文レビュー] CdTe and CdZnTe Crystal Growth and Production of Gamma Radiation Detectors

Uri Lachish|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 1998

Advanced Semiconductor Detectors and Materials参考文献 1被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、カドミウム蒸気圧制御を用いた低圧ブリジマン法を提案し、高品質なCdTeおよびCdZnTe結晶を成長させ、高電気抵抗性でガンマ線に感受性のある検出器を実現する。ドーピングとテルル蒸気中でのアニーリングにより、電子輸送が最適化され、ホールトラッピングに対する感受性が低減され、単体検出器およびアレイにおいて優れたエネルギースペクトル分解能が達成される。

ABSTRACT

Bridgman CdTe and CdZnTe crystal growth, with cadmium vapor pressure control, is applied to production of semiconductor gamma radiation detectors. Crystals are highly donor doped and highly electrically conducting. Annealing in tellurium vapors transforms them into a highly compensated state of high electrical resistance and high sensitivity to gamma radiation. N-type detectors, equipped with ohmic contacts, and a grounded guard ring around the positive contact, are not sensitive to hole trapping. Conductivity control, by the doping level, optimizes the detector operation by trade-off between electrons' lifetime and electrical resistance. Gamma spectra of single detectors and detector arrays are presented. Detector optimization and gamma detection mechanisms are discussed.

研究の動機と目的

• ガンマ線検出に適した検出器用CdTeおよびCdZnTe結晶を、スケーラブルで高収率に製造できる方法の開発。
• 従来の成長法（THMの低速成長やHPBの高圧複雑性）の制限を克服するため、低圧ブリジマン法を応用すること。
• ドーパントドーピングとテルル蒸気中での後処理アニーリングにより、電気的抵抗率を制御することで検出器性能を最適化すること。
• オーミック接触とガードリングを用いることでホールトラッピング効果を低減し、均一な応答を示す大面積モノリシック検出器アレイの作製を可能にすること。
• 電子信号積分時間と電子移動時間に一致させることで、ホール動態に依存しない形でエネルギースペクトル分解能を最大化できることを示すこと。

提案手法

• 密封・真空抽出されたアUMPルを用いた低圧ブリジマン法を採用し、カドミウム蒸気圧を制御することで、結晶成長中のストイキオメトリックバランスを維持する。
• 溶融点より約300°C低い低温端部を維持する改良型ブリジマンプロセスを採用し、蒸気圧を安定化させ、析出物の生成を防止する。
• 初期溶融段階で水素雰囲気を用いることで酸素不純物を低減し、結晶品質を向上させる。
• 成長後処理としてテルル蒸気中でアニーリングを施し、高導電性のn形、ドーパントドープ結晶を高補償状態の高抵抗状態に変換する。
• オーミック接触と正極の周囲にグランドされたガードリングを設けた検出器設計により、ホールトラッピング効果を抑制し、信号の忠実性を向上させる。
• ドーピングレベルを調整することで電子寿命と電気抵抗率のバランスを最適化し、信号積分時間（形状時間）によるスペクトル応答の調整により検出器性能を最適化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 カドミウム蒸気圧制御を施した低圧ブリジマン法による結晶成長は、ガンマ線検出に適したCdTeおよびCdZnTe結晶を十分な品質で得られるか？
• RQ2 テルル蒸気中でのアニーリングは、高導電性のドーパントドープCdTe結晶を、高抵抗性・ガンマ線感受性半導体にどのように変換するか？
• RQ3 オーミック接触とグランドされたガードリングを用いることで、CdTe検出器におけるホールトラッピングに起因するスペクトル分解能の劣化はどの程度低減されるか？
• RQ4 電子寿命と電気抵抗率の両者を最適化し、スペクトル分解能を最大化するための最適ドーピングレベルは何か？
• RQ5 小さなピクセル効果とオーミック接触モデルは、セグメンテッドアレイにおける検出器信号がホール輸送に依存しないことをどのように説明できるか？

主な発見

• カドミウム蒸気圧制御を施した低圧ブリジマン法による結晶成長は、析出物が少なく、均一性に優れた高品質なCdTeおよびCdZnTe結晶を生成する。
• テルル蒸気中でのアニーリングにより、n形で高導電性の結晶が高補償状態の高抵抗状態に変換され、抵抗率は最大で5×10⁸ Ω·cmに達する。
• オーミック接触とグランドされたガードリングを備えた検出器は、ホールトラッピングに対する感受性が低く、優れたエネルギースペクトル分解能（例：¹³⁷Cs 662 keV線）を示す。
• 抵抗率が約5×10⁸ Ω·cm、電子移動度-寿命積（μτ）が1–2 cm²/Vに達するドーピングレベルで最適性能が達成され、良好なエネルギースペクトル分解能が得られる。
• 過剰ドーピングされた検出器は高いμτ(e)（>10 cm²/V）を示すが、電気抵抗率が低い（<10⁷ Ω·cm）ため性能が劣り、実用性に制限がある。
• 信号積分時間（形状時間）を電子移動時間未満に短縮することで、スペクトル分解能が向上し、遅いホール寄与をフィルタリングし、低エネルギー尾部の低減が可能になる。