[论文解读] 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 5

一句话总结

本研究展示了使用南达科他大学（USD）自产晶体制造的平面高纯锗（HPGe）探测器的成功制备与表征，采用射频磁控溅射法制备非晶锗（a-Ge）接触层。探测器表现出优异的电学性能，包括极低的漏电流（全耗尽时低至<1 pA）、高能量分辨率（662 keV处半高全宽为1.38 keV），以及在热循环过程中的稳定性，证实了a-Ge接触层与USD生长晶体在暗物质和双贝塔衰变实验等低本底应用中的可行性。

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.

研究动机与目标

• 评估由南达科他大学（USD）自产高纯锗晶体制造的平面HPGe探测器的电学性能。
• 研究非晶锗（a-Ge）接触层作为电子与空穴双极阻挡接触在HPGe探测器中的有效性。
• 评估晶体杂质浓度及接触制备参数对探测器性能的影响，特别是漏电流与能量分辨率。
• 确定采用a-Ge接触层制备大尺寸、高质量HPGe探测器在未来的低本底实验中的可行性。

提出的方法

• HPGe晶体在USD采用浮区法生长，并使用金刚石锯片切割成平面探测器形状。
• 表面处理包括研磨与使用4:1 HNO₃:HF混合液进行化学蚀刻，以去除损伤与污染。
• 通过射频（RF）溅射法沉积高电阻率非晶锗（a-Ge）薄膜，随后沉积铝层以定义接触区域。
• 电学表征包括在液氮温度下进行I-V与C-V测量，以确定漏电流、全耗尽电压及杂质浓度。
• 利用¹³³Cs γ射线源进行光谱测量，以评估能量分辨率与噪声水平。
• 在部分探测器上制备了保护环结构，以将表面漏电流与接触注入电流隔离。

实验结果

研究问题

• RQ1 由南达科他大学自产HPGe晶体与a-Ge接触层制成的HPGe探测器能否实现适用于低本底实验的极低漏电流与高能量分辨率？
• RQ2 a-Ge接触层的电学性能——特别是其对电子与空穴注入的阻挡能力——如何依赖于制备参数与晶体质量？
• RQ3 通过C-V与霍尔效应测得的晶体杂质浓度在多大程度上与全耗尽电压与能量分辨率等探测器性能指标相关？
• RQ4 a-Ge接触层在多次热循环下表现如何稳定？这对探测器长期可靠性有何启示？
• RQ5 在a-Ge接触探测器中，保护环结构能否有效隔离表面漏电流与接触注入电流？

主要发现

• 由USD生长的HPGe晶体制成的探测器在500 V至1200 V电压范围内实现全耗尽，测得杂质浓度范围为1.0×10¹⁰至3.6×10¹⁰ cm⁻³，与高纯度材料一致。
• 测得的最低漏电流为<1 pA（在全耗尽状态下，对应探测器USD-W02），表明a-Ge接触层对载流子具有有效阻挡作用。
• 在662 keV能量下，能量分辨率范围为1.38 keV至2.97 keV，最佳结果（1.38 keV FWHM）出现在带保护环的探测器上，表明表面漏电流极小。
• 在探测器USD-W02上使用保护环证实，接触注入电流可忽略不计，总漏电流主要由表面漏电流贡献。
• 通过C-V与霍尔效应测得的杂质浓度结果在两倍以内一致，验证了表征方法的一致性。
• 探测器在多次热循环中表现出稳定性，证实a-Ge接触界面在低温环境下的长期运行具有鲁棒性。