[論文レビュー] Optimization of Amorphous Germanium Electrical Contacts and Surface Coatings on High Purity Germanium Radiation Detectors

M. Amman|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2018

Advanced Semiconductor Detectors and Materials参考文献 46被引用数 16

ひとこと要約

本稿では、高純度ゲルマニウム（HPGe）放射線検出器の電気的接触および表面キャップ層としての非晶質ゲルマニウム（a-Ge）薄膜の最適化を目的としている。RFスパッタリング法におけるスパッタガス圧力および水素含有量を変化させることで、漏れ電流を最小限に抑え、電子障壁高さを安定化させ、室温での安定性を向上させるプロセスパラメータを同定した。これは、画像化および追跡応用に用いられる高性能なガンマ線検出器にとって不可欠である。

ABSTRACT

Semiconductor detector fabrication technologies developed decades ago are widely employed today to produce gamma-ray detectors from large volume, single crystals of high purity Ge (HPGe). Most all of these detectors are used exclusively for spectroscopy measurements and are of simple designs with only two impurity based electrical contacts produced with B implantation and Li diffusion. Though these technologies work well for the simple spectroscopy detectors, the Li contact in particular is thick and lacks room temperature stability in a manner that makes it inappropriate for many of the more complex detectors needed for gamma-ray imaging and particle tracking applications. Thin films of amorphous semiconductors such as sputter deposited amorphous Ge (a-Ge) are the basis for an alternative electrical contact that is easy to fabricate, thin, and can be finely segmented. The a-Ge also functions well as a passivation coating on the HPGe surfaces not covered by the electrical contacts. The properties of the a-Ge affect the performance of the resultant detectors, and these properties substantially depend on and are controllable through the sputter deposition process parameters. The subject of this paper is this interconnection of fabrication process parameters, a-Ge properties, and detector performance. The properties of a-Ge thin film electrical resistance, a-Ge contact electron injection, and room temperature storage stability were evaluated as a function of the sputter process parameters of sputter gas pressure and sputter gas H2 composition. Two different sputter deposition systems were used to produce a-Ge resistors and HPGe detectors with a-Ge electrical contacts. These samples were electrically characterized as a function of temperature. A summary of this study and discussion of the relevance of the findings to the optimization of detector performance are given in this paper.

研究の動機と目的

• ガンマ線画像化および粒子追跡などの高度な応用に向けた、HPGe放射線検出器の性能と安定性を向上させること。
• 厚さが大きく、室温で不安定であるという従来のリチウムドープド接触の限界を克服すること。
• セグメンテッド電気的接触および表面キャッピングの代替として、非晶質ゲルマニウム（a-Ge）薄膜を最適化すること。
• 抵抗率、電子注入、漏れ電流安定性といった、a-Ge薄膜の重要な特性を制御するスパッタ堆積パラメータを同定すること。
• 再現性があり高効率な検出器製造を可能にするために、a-Ge薄膜のプロセス-構造-特性関係を確立すること。

提案手法

• RFスパッタリング法を用いて、スパッタガス圧力および水素含有量を制御した条件下で、HPGe基板上にa-Ge薄膜を堆積させた。
• 異なる装置間でのプロセスパラメータ効果の一貫性を検証するために、2台の独立したスパッタ堆積装置を用いた。
• 抵抗率、電荷注入、漏れ電流挙動を評価するため、広い温度範囲で電気的特性評価を実施した。
• 金属-半導体接触理論（ACS理論）に基づく理論的モデルを適用し、電子障壁高さおよび注入特性を解釈した。
• スパッタリング条件と関連づけて、薄膜の微細構造と抵抗率の相関を分析し、電気的特性の構造的起源を特定した。
• プロセス後のアニール処理を評価し、長期的安定性および性能への影響を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スパッタガス圧力および水素含有量は、HPGe検出器上に形成されたa-Ge薄膜の抵抗率および電気的安定性にどのように影響するか？
• RQ2 a-Ge薄膜の微細構造（例：柱状、ボイド豊富）と抵抗率や漏れ電流といった電気的特性との関係は何か？
• RQ3 室温保管による影響がa-Ge接触の電子障壁高さおよび電荷注入に与える影響は何か？ また、プロセスチューニングによってこれを最小限に抑えることができるか？
• RQ4 プロセス中に高温アニール処理を施すことで、a-Ge薄膜の電気的特性およびキャッピング特性にどの程度の変化が生じるか？
• RQ5 抵抗体に適用する可変範囲ホッピングモデルと接触部に適用するACS理論を併用した場合、a-Ge薄膜内の電荷輸送機構は一貫したモデルで記述可能か？ また、モデルパラメータは整合性を示すか？

主な発見

• 高圧力のスパッタガス条件下では、より開口的で柱状の微細構造を示し、ボイド密度が高いため、抵抗率が高くなる傾向を示した。
• スパッタガスに水素を添加することで、電子障壁高さが低下し、漏れ電流が増加したが、その安定性は圧力およびH2濃度に依存した。
• a-Ge薄膜は、室温保管中に電子注入および障壁高さに顕著な変化を示し、プロセス依存の老化効果が確認された。
• a-Ge薄膜の抵抗率はスパッタ圧力に強く依存しており、高圧力条件下で顕著に高い抵抗率値を示した。
• ACS理論に基づく理論的モデリングにより、電子注入挙動が適切に記述され、可変範囲ホッピングモデルとの整合性も観察された。これにより、電荷輸送の統一的理解が可能になった。
• 100–120°Cでのプロセス後アニール処理は、劣化の逆転をもたらさなかったが、最適化されたレシピを用いることで処理後の性能安定化が可能である可能性が示唆された。