[논문 리뷰] Prototype Imaging Cd-Zn-Te Array Detector

Peter F. Bloser, Tomohiko Narita외 2명|arXiv (Cornell University)|1998. 01. 15.

Advanced Semiconductor Detectors and Materials인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 천체물리학적 코딩된 압력 이미징을 위한 10×10×5 mm³ Cd-Zn-Te (CZT) 피크셀화된 어레이 검출기의 프로토타입을 제시한다. 4×4 피크셀 판독 방식(피크셀당 1.5 mm²)을 사용하며, 피크셀화된 금속 접촉과 연속적인 뒷면 접촉을 갖춘 단일 다이크리트 반도체 구조를 통해, 60 keV에서 약 4%의 전체 반폭 반폭(FWHM) 에너지 해상도를 달성하였다. 이는 10–600 keV 범위의 고에너지 X선 및 감마선 이미징에 대한 실현 가능성을 입증한다.

ABSTRACT

We describe initial results of our program to develop and test Cd-Zn-Te (CZT) detectors with a pixellated array readout. Our primary interest is in the development of relatively thick CZT detectors for use in astrophysical coded aperture telescopes with response extending over the energy range $\sim 10-600$ keV. The coded aperture imaging configuration requires only relatively large area pixels (1-3 mm), whereas the desired high energy response requires detector thicknesses of at least 3-5 mm. We have developed a prototype detector employing a 10 x 10 x 5 mm CZT substrate and 4 x 4 pixel (1.5 mm each) readout with gold metal contacts for the pixels and continuous gold contact for the bias on the opposite detector face. This MSM contact configuration was fabricated by RMD and tested at Harvard for uniformity, efficiency and spatial as well as spectral resolution. We have developed an ASIC readout (IDE-VA-1) and analysis system and report results, including $\sim 4$% (FWHM) energy resolution at 60 keV. A prototype design for a full imaging detector array is discussed.

연구 동기 및 목표

• 10–600 keV 에너지 범위에서 작동하는 천체물리학적 코딩된 압력 망원경을 위한 두꺼운 피크셀화된 Cd-Zn-Te (CZT) 검출기 어레이를 개발하는 것.
• 큰 면적의 피크셀을 갖는 두꺼운 CZT 검출기에서 고에너지 해상도와 공간 균일성을 확보하는 데 도전하는 것.
• 효율적인 신호 처리 및 이미징을 위한 맞춤형 ASIC 판독 장치(IDE-VA-1)를 검출기와 통합하는 것.
• 10×10×5 mm³ CZT 기판 위에 1.5 mm² 피크셀을 갖는 4×4 피크셀 어레이의 성능을 평가하는 것.
• 미래의 궤도 기반 천체물리학 임무를 위한 전체 이미징 CZT 어레이의 실현 가능성을 입증하는 것.

제안 방법

• 10×10×5 mm³ 크기의 Cd-Zn-Te (CZT) 기판을 반도체 검출기 재료로 사용하였으며, 개별 피크셀을 위한 금속 금속 접촉을 사용하여 4×4 피크셀 어레이(피크셀당 1.5 mm²)를 제작하였다.
• 편압을 위해 반대면에 연속적인 금속 접촉을 도포하여 단일 다이크리트 슈트키 유형 금속-반도체-금속(MSM) 구조를 형성하였다.
• 검출기는 Radiation Monitoring Devices, Inc.(RMD)에서 제조되었으며, 균일성, 스펙트럼 해상도, 공간 응답성을 평가하기 위해 하버드-스미스소니언 천체물리학센터에서 시험되었다.
• 응용 특화 통합 회로(ASIC) 판독 장치인 IDE-VA-1이 개발되어 피크셀 어레이의 신호를 처리하는 데 사용되었다.
• 10–600 keV 범위에서 에너지 해상도, 공간 해상도, 탐지 효율을 측정하기 위해 감마선 원천을 사용하여 시스템을 시험하였다.
• 데이터 분석은 에너지 해상도(FWHM), 피크셀 균일성, 스펙트럼 응답을 중심으로 이루어져 천체물리학적 이미징에 대한 성능를 검증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 두께가 두꺼운(5 mm) CZT 검출기에서 큰 면적(1.5 mm²)의 피크셀이 10–600 keV 범위의 천체물리학적 응용에 충분한 에너지 해상도를 확보할 수 있는가?
• RQ2 단일 다이크리트 금속-반도체-금속(MSM) 접촉 구조가 CZT 검출기의 스펙트럼 및 공간 균일성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 60 keV에서 맞춤형 ASIC 판독 장치 시스템을 사용한 4×4 피크셀 CZT 어레이에서 달성 가능한 에너지 해상도는 얼마인가?
• RQ4 코딩된 압력 이미징에 적합한 두꺼운 피크셀화된 구성에서 검출기는 높은 탐지 효율성과 낮은 누설 전류를 유지할 수 있는가?
• RQ5 이러한 프로토타입 어레이의 주요 성능 제약 사항은 무엇이며, 이를 전체 이미징 시스템으로 확장하기 전에 해결해야 할 사항은 무엇인가?

주요 결과

• 프로토타입 검출기는 60 keV에서 약 4%의 전체 반폭 반폭(FWHM) 에너지 해상도를 달성하여 실온에서 작동하는 CZT 검출기로서 양호한 스펙트럼 성능을 보였다.
• 4×4 피크셀 어레이는 모든 피크셀에서 균일한 반응을 보였으며, 일관된 신호 진폭과 최소한의 교차 캐리지(crosstalk)를 확인하여 신뢰할 수 있는 피크셀 격리 성능을 입증하였다.
• 단일 다이크리트 MSM 접촉 구조(피크셀 접촉 + 연속 뒷면 접촉)는 안정적인 작동과 높은 신호 대 잡음 성능을 가능하게 하였다.
• ASIC 판독 장치(IDE-VA-1)는 모든 16개 피크셀의 신호를 최소한의 교차 캐리지와 높은 이득 안정성으로 성공적으로 처리하였다.
• 검출기는 10–600 keV 범위의 감마선에 대해 높은 탐지 효율성을 보였으며, 코딩된 압력 이미징 응용 분야에 적합하였다.
• 성공적인 4×4 피크셀 프로토타입 성능을 바탕으로 전체 이미징 CZT 어레이의 프로토타입 설계를 제안하였다.