[논문 리뷰] Optimization of Amorphous Germanium Electrical Contacts and Surface Coatings on High Purity Germanium Radiation Detectors

M. Amman|arXiv (Cornell University)|2018. 01. 01.

Advanced Semiconductor Detectors and Materials참고 문헌 46인용 수 16

한 줄 요약

이 논문은 고순도 게르마늄(HPGe) 방사선 검출기의 전기적 접촉 및 표면 피복층으로서의 비정질 게르마늄(a-Ge) 박막을 최적화한다. RF 스퍼터링 중 스퍼터링 기체 압력과 수소 조성의 변화를 통해 유해 전류를 최소화하고 전자 터널장벽 높이를 안정화하며 실온에서의 안정성을 향상시키는 공정 조건을 규명하였다. 이는 영상 및 추적 응용 분야에서 사용되는 고성능 감마선 검출기에게 필수적인 요소이다.

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.

연구 동기 및 목표

• 고성능 감마선 검출기의 성능과 안정성을 향상시켜 영상 및 입자 추적과 같은 고급 응용 분야에 적합하게 한다.
• 기존 리튬 도핑된 접촉의 두꺼움과 실온에서의 불안정성 문제를 해결한다.
• 세그먼티드 전기적 접촉 및 표면 피복으로서의 비정질 게르마늄(a-Ge) 박막을 실용적인 대안으로 최적화한다.
• 저항율, 전자 주입, 유해 전류 안정성과 같은 핵심 a-Ge 박막 특성을 제어하는 스퍼터링 증착 조건을 규명한다.
• a-Ge 박막의 공정-구조-성질 관계를 수립하여 재현 가능하고 고수율이 높은 검출기 제조를 가능하게 한다.

제안 방법

• 스퍼터링 기체 압력과 수소 조성을 제어하여 HPGe 기판에 a-Ge 박막을 RF 스퍼터링으로 증착하였다.
• 다른 장비에서의 공정 조건 효과 일관성을 검증하기 위해 두 대의 독립된 스퍼터링 증착 장치를 사용하였다.
• 저항율, 전하 주입, 유해 전류 거동을 평가하기 위해 다양한 온도에서 전기적 특성 분석을 수행하였다.
• 금속-반도체 접촉 이론(ACS 이론)을 기반으로 한 이론 모델을 적용하여 전자 터널장벽 높이 및 주입 특성을 해석하였다.
• 스퍼터링 조건과 관련된 박막 미세구조 및 저항율을 연관지켜 전기적 성질의 구조적 기원을 규명하였다.
• 장기적 안정성과 성능에 미치는 영향을 평가하기 위해 공정 후 열처리(Annealing) 조건을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 스퍼터링 기체 압력과 수소 조성이 HPGe 검출기의 a-Ge 박막 저항율과 전기적 안정성에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ2 a-Ge 박막의 미세구조(예: 기둥형, 공극 다량)와 저항율, 유해 전류 등의 전기적 성질 간의 관계는 무엇인가?
• RQ3 실온 저장 조건이 a-Ge 접촉의 전자 터널장벽 높이와 전하 주입에 미치는 영향는 무엇이며, 공정 최적화로 이를 최소화할 수 있는가?
• RQ4 공정 중 고온에서의 열처리 단계가 a-Ge 박막의 전기적 성질 및 피복 성질에 어느 정도 영향을 미치는가?
• RQ5 저항기의 경우 가변 범위 터널링 모델과 접촉의 경우 ACS 이론을 사용하여 a-Ge 박막의 전하 이동 메커니즘을 일관되게 모델링할 수 있으며, 이 모델의 매개변수 간 일치 여부는 어떻게 되는가?

주요 결과

• 고압력의 스퍼터링 기체 조건은 더 열린 기공 다량의 기둥형 미세구조로 인해 더 높은 저항율을 가진 a-Ge 박막을 생성하였다.
• 스퍼터링 기체에 수소를 혼입함으로써 전자 터널장벽 높이가 감소하고 유해 전류가 증가하였으며, 이는 압력과 H2 농도에 따라 안정성이 달라졌다.
• a-Ge 박막은 실온 저장 중 전자 주입 및 터널장벽 높이에 눈에 띄는 변화를 보였으며, 이는 공정 조건에 따라 달라지는 노화 효과를 시사하였다.
• a-Ge 박막의 저항율은 스퍼터링 압력에 매우 민감하게 의존하였으며, 높은 압력에서 유의미하게 높은 저항율을 나타내었다.
• ACS 이론 기반의 이론적 모델링은 전자 주입 거동을 성공적으로 기술하였으며, 가변 범위 터널링 모델과의 일관성도 관찰되어 전하 이동의 통합적 이해를 뒷받침하였다.
• 공정 후 100–120°C에서의 열처리로는 열화가 복구되지 않았지만, 최적화된 공정 레시피 개발을 통해 가공 후 성능 안정화가 가능할 것으로 보였다.