[논문 리뷰] CdTe and CdZnTe Crystal Growth and Production of Gamma Radiation Detectors

Uri Lachish|arXiv (Cornell University)|1998. 01. 01.

Advanced Semiconductor Detectors and Materials참고 문헌 1인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 고압력 브리지먼 방법을 이용해 카드뮴 수증기압을 제어함으로써 고품질의 CdTe 및 CdZnTe 결정을 저압에서 성장시키는 기술을 제시한다. 이는 높은 전기 저항성과 감도를 지닌 감마선 탐지기의 제조를 가능하게 한다. 결정에 도핑을 하고 텔루르 수증기 분雰위에서 열처리함으로써 전자 이동도가 최적화되고 정공 포획에 대한 민감도가 감소하여 단일 탐지기 및 배열에서 뛰어난 스펙트럼 해상도를 달성한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 감마선 탐지에 적합한 고성능 CdTe 및 CdZnTe 결정을 대량으로 생산할 수 있는 확장 가능하고 고수율의 방법을 개발하기 위해.
• 기존 성장 방법의 한계(예: 느린 성장 속도를 가지는 열화학적 방법(THM) 또는 고압 복잡성을 가지는 고압 브리지먼 방법(HPB))을 해결하고 저압 브리지먼 기법을 적용하기 위해.
• 기부자 도핑과 텔루르 수증기 분雰위에서의 후처리 열처리를 통해 전기적 전도도를 제어함으로써 탐지기 성능을 최적화하기 위해.
• 정공 포획 효과를 제거함으로써 균일한 반응을 가진 대면적 단일체 탐지기 배열의 제작을 가능하게 하기 위해.
• 전자 신호 통합 시간을 전자 이동 시간과 일치시킴으로써 스펙트럼 해상도를 극대화할 수 있으며, 이는 정공의 동역학과 무관하게 가능하다는 것을 입증하기 위해.

제안 방법

• 결정 성장 중 화학 스토이히오메트리 균형을 유지하기 위해 제어된 카드뮴 수증기압을 가진 밀폐된 진공용기(앰풀)에서 저압 브리지먼 기법을 이용한다.
• 용융점 이하 약 300°C의 냉각 끝부분을 유지함으로써 수증기압을 안정화하고 침전물 생성을 방지하기 위해 수정된 브리지먼 공정을 적용한다.
• 초기 용융 단계에서 수소 분위기를 사용하여 산소 오염을 감소시키고 결정 품질을 향상시킨다.
• 후처리 열처리를 텔루르 수증기 분위기에서 실시함으로써 고도로 도핑된 n형 전도성 결정을 고도로 보상된 고저항 상태로 변환한다.
• 정공 포획 효과를 억제하고 신호 정밀도를 향상시키기 위해 양극 접촉 주위에 접지된 가드 링을 갖춘 옴스 접촉을 사용한 탐지기 설계를 한다.
• 신호 통합 시간(형상 시간)을 조절함으로써 전자 수명과 전기 저항 간의 균형을 맞추기 위해 도핑 농도를 최적화하며, 스펙트럼 반응을 조절한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 카드뮴 수증기압 제어를 통한 저압 브리지먼 성장이 감마선 탐지에 적합한 고품질의 CdTe 및 CdZnTe 결정을 생산할 수 있는가?
• RQ2 텔루르 수증기 분위기에서의 열처리가 고도로 도핑된 n형 전도성 CdTe 결정을 고저항성, 감마선에 민감한 반도체로 변환하는 방식은 무엇인가?
• RQ3 옴스 접촉과 접지된 가드 링을 사용할 경우, CdTe 탐지기에서 정공 포획으로 인한 스펙트럼 열화가 얼마나 감소하는가?
• RQ4 전자 수명과 전기 저항 간의 균형을 최적화하여 스펙트럼 해상도를 극대화할 수 있는 최적의 도핑 농도는 무엇인가?
• RQ5 소형 픽셀 효과와 옴스 접촉 모델은 분할 배열에서 탐지기 신호가 정공 이동에 민감하지 않은 이유를 어떻게 설명하는가?

주요 결과

• 카드뮴 수증기압 제어를 통한 저압 브리지먼 성장은 침전물이 극히 적고 균일성이 향상된 고품질의 CdTe 및 CdZnTe 결정을 생산한다.
• 텔루르 수증기 분위기에서의 열처리로 n형, 고도로 전도성인 결정이 고도로 보상된 고저항 상태로 변환되며, 이의 저항율은 최대 5×10⁸ Ω·cm에 이른다.
• 옴스 접촉과 접지된 가드 링을 갖춘 탐지기는 정공 포획에 민감하지 않아 우수한 스펙트럼 해상도(예: 137Cs 662 keV 선)를 나타낸다.
• 저항율 약 5×10⁸ Ω·cm, 전자 이동도-수명 곱(μτ)이 1–2 cm²/V인 도핑 수준에서 최적의 성능을 달성하며, 이는 양호한 스펙트럼 해상도를 제공한다.
• 과도하게 도핑된 탐지기는 높은 μτ(e) (>10 cm²/V)를 보이지만, 전기 저항이 낮아서(10⁷ Ω·cm 이하) 성능이 열악하여 활용도가 제한된다.
• 신호 통합 시간(형상 시간)을 전자 이동 시간 이하로 줄일 경우 스펙트럼 해상도가 향상되며, 느린 정공 기여를 걸러내고 저에너지 尾를 최소화한다.