[論文レビュー] Investigation of Amorphous Germanium Contact Properties with Planar Detectors Made from Home-Grown Germanium Crystals

Wensheng Wei, Xianghua Meng+7 more|arXiv (Cornell University)|Sep 11, 2018

Thin-Film Transistor Technologies被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、スミス・ドレッシング大学（USD）で自前で育成した高純度ゲルマニウム（HPGe）結晶を用い、無定形ゲルマニウム（a-Ge）接触をラジオ周波数スパッタリング法で形成した平面形高純度ゲルマニウム（HPGe）検出器の作製および特性評価に成功した。検出器は、完全にデプリーション状態での漏れ電流が1 pA未塔（<1 pA）にまで低下するなど、優れた電気的性能を示し、662 keVにおけるエネルギー分解能はFWHMで1.38 keVに達し、熱サイクルにわたる安定した動作を確認した。これにより、a-Ge接触およびUSDで育成した結晶が、ダークマターおよび二重ベータ崩壊実験における低バックグラウンド応用に実用可能であることが裏付けられた。

ABSTRACT

The characterization of detectors fabricated from home-grown crystals is the most direct way to study crystal properties. We fabricated planar detectors from high-purity germanium (HPGe) crystals grown at the University of South Dakota (USD). In the fabrication process, a HPGe crystal slice cut from a USD-grown crystal was coated with a high resistivity thin film of amorphous Ge (a-Ge) followed by depositing a thin layer of aluminum on top of the a-Ge film to define the physical area of the contacts. We investigated the detector performance including the $I$-$V$ characteristics, $C$-$V$ characteristics and spectroscopy measurements for a few detectors. The results document the good quality of the USD-grown crystals and electrical contacts.

研究の動機と目的

• スミス・ドレッシング大学（USD）で自前で育成したゲルマニウム結晶を用いて作製した平面形HPGe検出器の電気的性能を評価すること。
• 無定形ゲルマニウム（a-Ge）接触が、電子およびホールの両方の注入を遮断するためのバイポーラブロッキング接触としての有効性を調査すること。
• 結晶中の不純物濃度および接触形成プロセスのパラメータが、漏れ電流およびエネルギー分解能といった検出器性能に与える影響を評価すること。
• 将来的な低バックグラウンド実験に向け、a-Ge接触を用いた大口径かつ高品質なHPGe検出器の製造可能性を検討すること。

提案手法

• HPGe結晶はUSDでフロートゾーン法を用いて育成され、ダイヤモンド・ソーを用いて平面形検出器形状に切断された。
• 表面処理にはラッピングおよび4:1のHNO₃:HF混合液を用いた化学エッチングが行われ、損傷および不純物を除去した。
• 高抵抗率の無定形ゲルマニウム（a-Ge）膜をラジオ周波数（RF）スパッタリング法で堆積させ、その後アルミニウムキャピングを施して接触領域を定義した。
• 電気的特性評価には、液体窒素温度でのI-VおよびC-V測定を実施し、漏れ電流、完全デプリーション電圧、不純物濃度を評価した。
• 分光測定には133Csガンマ線源を用い、エネルギー分解能およびノイズレベルを評価した。
• 一部の検出器にガードリング構造を形成し、表面漏れ電流と接触注入電流を分離して評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 自前で育成したUSD結晶とa-Ge接触を用いたHPGe検出器は、低バックグラウンド実験に適した低漏れ電流および高エネルギー分解能を達成できるか？
• RQ2 a-Ge接触の電気的特性、特に電子およびホールの両方の注入を遮断する能力が、プロセスパラメータおよび結晶品質にどのように依存するか？
• RQ3 C-Vおよびホール効果測定で測定された結晶中の不純物濃度が、完全デプリーション電圧やエネルギー分解能といった検出器性能指標とどの程度相関するか？
• RQ4 a-Ge接触は繰り返し熱サイクルにさらされても安定しているか？これは長期間にわたる検出器の信頼性にどのような意味を持つのか？
• RQ5 ガードリングを用いることで、a-Ge接触検出器における表面漏れ電流と接触注入電流を効果的に分離できるか？

主な発見

• USDで育成したHPGe結晶を用いた検出器は、完全デプリーションに500 V〜1200 Vの電圧を要し、測定された不純物濃度は1.0×10¹⁰〜3.6×10¹⁰ cm⁻³の範囲にあり、高純度材料と一致した。
• 測定された最低漏れ電流は、完全デプリーション状態で<1 pA（USD-W02）であり、a-Ge接触によるキャリアの効果的なブロッキングを示した。
• 662 keVにおけるエネルギー分解能は1.38 keV〜2.97 keVの範囲にあり、最高性能（1.38 keV FWHM）はガードリングを備えた検出器で達成され、表面漏れが最小限に抑えられていることを示した。
• 検出器USD-W02におけるガードリングの使用により、接触注入電流が無視できるほど小さく、全漏れ電流の大部分が表面漏れに起因していることが確認された。
• C-Vおよびホール効果測定による不純物濃度の測定値は、2倍以内の範囲で一致しており、測定手法の整合性が裏付けられた。
• 複数回の熱サイクルにわたる安定性が確認され、低温環境下での長期間運用に耐えるa-Ge接触界面の頑丈さが示された。