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8/11/2019 Current state of the art in semiconductor detectors.pdf

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NUCLE AR INSTRUMENTS AND METHODS 112 (1973) 219-2 28 ; NOR TH- HOL LAN D P UBLI SHIN G CO.

C U R R E N T S T A T E O F T H E A R T IN S E M I C O N D U C T O R D E T E C T O R S

G. BERTOLINI, F. CAPPELLANI and G. RESTELLI

J o i n t N u c l e a r R e s e a r c h C e n t e r I s p r a I t a l y

The highlights of the current state of the art in semiconductor

radiation detectors are reviewed. Most attention is devoted to

hyperpure-germanium and compound semiconductors. Only a

brief account of the most impressive achievements obtained in

Si(Li) and Ge(Li) detectors in then given. Present and future role

of compound semiconductors and their competition with ger-

manium are discussed.

1 Introduct ion

T h e d e v e l o p m e n t o f s e m i c o n d u c t o r r a d i a ti o n d e -

t e c t o r s a s s p e c t r o me t e r s s t a r t e d i n 1 9 5 6 w i t h t h e

f ir s t s t u d y o f a g e r m a n i u m s u r f a c e - b a r r i e r d e t e c t o r

a s h e a v y - p a r ti c l e s p e c t r o m e t e r b y M a y e r a n d G o s s i k ' ) .

T w o y e a r s l a t e r c a m e t h e a n a l o g o u s d e v i c e i n s i l i c o n

a n d w i t h i t t h e i m p r o v e m e n t o f a v o i d i n g d e t e c t o r

c o o li n g 2 ). T h e n e e d o f h i g h e r d e t e c t o r s e n s it iv e t h i c k -

n e s s w a s s a ti sf ie d a f t e r t h e c o m p e n s a t i o n o f p - t y p e

s i l i c o n b y L i d i f f u s i o n a n d d r i f t , a t e c h n i q u e d e m o n -

s t r a t e d b y P e ll in 1 96 03 ). T h e l o w a t o m i c n u m b e r o f

s i l i c o n m a k e s i t u n s u i t a b l e f o r 7 s p e c t r o s c o p y . T h e

i m p a s s w a s o v e r c o m e w i th t h e c o m p e n s a t i o n o f p - t y pe

g e r m a n i u m b y F r e c k a n d W a k e f i e l d i n 1 9 6 2 4 ) , w h o

u s e d a t e c h n i q u e s i m i l a r t o t h a t o f Pe l l.

T h e c o a x i a l s t r u c t u r e o f th e d e v i c e , p r o p o s e d b y

M i l l e r i n 1 96 3 a n d f i rs t r e a l i z e d b y T a v e n d a l e i n 1 96 55 ),

m a d e i t p o s s i b l e t o c o n s t r u c t l a r g e - v o l u m e G e ( L i )

d e t e c t o r s . F r o m t h i s m o m e n t t h e j o i n t e f f o r t s i n t h e

m a t e r i a l i m p r o v e m e n t s , d e t e c t o r te c h n o l o g y a n d e le c -

t r o n i c a m p l i f y i n g c h a i n p r o d u c e d a r a p i d i n c r e as e in

t h e p e r f o r m a n c e o f t h e s e d e t e c t o r s .

T h e n e e d o f c o n t i n u o u s c o o l i n g a t l i q u i d - n i t r o g e n

t e m p e r a t u r e o f G e ( L i ) s ti m u l a t e d e f f o r ts t o o b t a i n

h i g h l y p u r i f i e d g e r m a n i u m c r y s t a l s w h i c h a v o i d t h e

n e c e s s i t y o f L i c o m p e n s a t i o n . T h i s w a s a c h i e v e d b y

H a l l a t G e n e r a l E l e c t r i c in 1 9 7 0 6 ,7 ). U s i n g t h i s m a t e r i a l ,

p - n j u n c t i o n d e t e c t o r s w i t h a n a c t i v e v o l u m e u p t o

s o m e c m 3 a n d r o o m - t e m p e r a t u r e s ta b il it y f o r s t o ra g e

h a v e b e e n r a p i d l y d e v e l o p e d .

T h e i m p o r t a nc e o f a r o o m - t e m p e r a t u r e o p e r a te d

s e m i c o n d u c t o r h a v i n g h i g h a t o m i c n u m b e r p u s h e d

s o m e r e s e a r c he r s t o s t u d y w i d e - b a n d g a p s e m i c o n d u c t o r

ma t e r i a l s . I n 1 9 6 6 t h e f i r s t r e s u l t s o n Cd T e w e r e

p u b l i s h e d b y A m e r i c a n a ) a n d R u s s i a n g r o u p s 9 ) ; i n

1 97 0, G a A s d e t e c t o r s w e r e r e p o r t e d ' ) , a n d i n 1 97 2

p r e l i m i n a r y s t u d i e s a p p e a r e d o n t h e u s e o f o t h e r

e x o t i c s e m i c o n d u c t o r s li k e H g I 2 , P b O , e t c . ' 1 2 ) .

T a b l e 1 s h o w s s o m e c h a r a c t e r i s ti c s o f t h e m o s t

i m p o r t a n t s e m i c o n d u c t o r s u s e d i n d e t e c t o r c o n s t r u c -

2 1 9

TABLE 1

Characteristics of semiconductors.

Semic. At. Density Bandgap Energy per

numbe r (at. cm a) (eV) e-h pair

(eV)

Si 14 5 .02 1022 1.12 (300 K) 3.61 (300 K)

1.16 (77 K) 3.76 (77 K)

Ge 32 4.44 1022 0.74 (77 I


2/10

2 2 0

G . B E R T O L I N I e t a l.

TABLE 2

P e a k - t o - t o t a l r a t i o s a n d f u l l - e n e r g y p e a k e ff i ci e n c ie s . P h o t o n

e n e r g y = 1 M e V ; b e a m d i a m e t e r = d e te c t o r d i a m e t e r ; c y l in -

d r i c a l d e t e c t o r w i t h d i a m e t e r = h e i g h t a 3) .

M a t e r i a l V o l u m e P e a k - t o - t o t a l F u l l - e n e r g y p e a k

( c m 3 ) r a t i o e f f i c i e n c y

G e

C d T e

H g I 2

0 . 5 0 . 0 4 3 0 . 0 1 0

1 . 0 0 . 0 5 4 0 . 0 1 5

5 . 0 0 . 0 9 0 0 . 0 3 9

1 0 . 0 0 . 1 2 0 0 . 0 6 0

0 . 5 0 . 1 4 2 0 . 0 3 6

1 . 0 0 . 1 6 4 0 . 0 5 1

5 . 0 0 . 2 4 8 0 . 1 1 7

1 0 . 0 0 . 2 8 8 0 . 1 6 0

0 . 5 0 . 3 0 8 0 . 0 8 8

1 . 0 0 . 3 5 0 0 . 1 2 1

5 . 0 0 . 4 3 6 0 . 2 2 7

1 0 . 0 0 . 4 9 2 0 . 2 9 5

I O O C

IOC

I.

Z

l a d

W

Z

F 1 . 0

Z

I . - -

p -

~ 0 . 1

w

Z

_ J

0 . 0 1

0.01 0 .1 1 .0 I0 I0 0

P H O T O N E N E R G Y IN M e V

F i g . 1 . L i n e a r a t t e n u a t i o n c o e f f i c ie n t s f o r S i , G e , C d T e a n d

H g I 2 . T h e d e n s i t i e s a s s u m e d a r e r e s p e c t i v e l y 2 . 3 4 , 5 .3 5 , 6 .0 6 a n d

6 . 4 g c m - 3 . T h e l i n e ar a t t e n u a t i o n c o e ff i ci e n ts f o r t h e C o m p t o n

i n t er a c ti o n a r e a l m o s t t h e s a m e f o r C d T e a n d H g I z a n d h a v e

b e e n p l o t t e d a s a s i n g l e l i n e Z 2 ) .

T h e c a l cu l a t io n s a r e p e r f o r m e d in t h e a p p r o x i m a t i o n o f

n o l e a k a g e o f b r e m s s t r a h l u n g p h o t o n s a n d o f s e c o n d a r y

e l e c tr o n s . T h i s l a s t c o n d i t i o n s h o u l d b e t a k e n i n t o

a c c o u n t s i n ce t h e l e a k a g e o f s e c o n d a r y e l e c t r o n s i s

c e r ta i n ly a n i m p o r t a n t p a r a m e t e r , t o g e t h e r w i t h c h a r g e

t r a p p i n g , i n l i m i t in g t h e p e a k - t o - t o t a l r a t i o o f t h e d e t e c-

t o r s p r e s e n t l y a v a i l a b l e . H o w e v e r , i n t h e a p p r o x i -

m a t i o n o f t h e c a l c u l a ti o n s p e r f o r m e d , t h e r es u l t s s h o w

t h e s t r i k i n g a d v a n t a g e t h a t w o u l d b e o b t a i n e d w i t h

s u c h h i g h - Z m a t e r i a l s . T h i s i s p a r t i c u l a r l y e v i d e n t f o r

H g I z ; i t a p p e a r s i n f a c t t h a t t h e p e a k - t o - t o t a l r a t i o f o r

a 0 . 5 - c m 3 d e v i c e is a b o u t t h r e e t i m e s t h a t o b t a i n a b l e

w i t h a 1 0 - c m 3 G e d e t e c t o r .

F u t u r e p r o g r e s s s h o u l d t e n d t o t h e a c h i e v e m e n t o f

l a r g e r u s ef u l v o l u m e s ( a t l e as t s o m e h u n d r e d s m m 3

f o r H g I 2 a n d s o m e c m 3 f o r C d T e ) . T h i s h a s t o b e

c o n n e c t e d w i t h t h e c a p a b i l i t y o f t h e m a t e r i a l to b e

d e p l e t e d w i t h a p p l i c a t i o n o f v o l t a g e s o f t h e o r d e r o f

1 00 0 V o v e r d i s t a n c e s o f t h e o r d e r o f 1 0 m m . T h i s i n

t u r n i s r e l a t e d t o t h e n e t i m p u r i t y c o n c e n t r a t i o n i n t h e

s e m i c o n d u c t o r .

I t i s d i f f i c u l t t o s e t a n u l t i m a t e l i m i t t o t h e e n e r g y

r e s o lu t i o n a t t a i n a b le w i t h c o m p o u n d - s e m i c o n d u c t o r

d e t e c t o r s . A l i n e w i t d h c o m p a r a b l e w i t h t h a t o b t a i n a b l e

i n Si a n d G e d e t e c t o r s h a s b e e n m e a s u r e d o n l y in

G a A s . F o r t h i s m a t e r i a l a F a n o f a c t o r e q u a l o r l e s s

t h a n 0 . 1 8 h a s b e e n e v a l u a t e d 1 4 ) , t h a t s h o u l d b e

c o m p a r e d w i t h a v a l u e o f 0 .0 8 15) o r l e s s o b t a i n e d f o r

e l e m e n t a l s e m i c o n d u c t o r s ( f i g . 2 ) . T h e c o m p a r i s o n o f

>

Z

0

I

:::D

_ J

o

bJ

G

t 0

0.1

0 . 0 1

' ' ' ' 1 ' ' ' ~ ' ' 1 . . . . . . . . I - - ' ' ' ' 1 - -

Ge Li) SECTROM ETERS

RESOLUTION

F : O . 1 2 \

o P E H L 8~ G O U L D I N G F : ~

. 0 5

A S S U M I N G : 2 , 9 8 e V

L , , I , H [ , , , , l I H i I I I I I u ~ L I J L l l l l l l

I 0 I 0 0 I 0 0 0 IO , O 0 0

E N E R G Y E r ke V

F i g . 2 . T h e r e s o l u t i o n m e a s u r e d a t s e v e r a l e n e r g i e s b y P e h l a n d

G o u l d i n g 1 ~) u s i n g a v e r y s m a l l G e ( L i ) d e t e c t o r . T h e c i r cl e s a r e

m e a s u r e d l i n e w i d t h s ; th e x ' s s h o w t h e v a l u e s o b t a i n e d w h e n t h e

e l e c tr o n i c n o i s e c o n t r i b u t i o n i s s u b t r a c t e d i n q u a d r a t u r e . T h e

l in e s s h o w t h e c o n t r i b u t i o n e x p e c t e d f r o m t h e d e t e c t o r f o r s e v e r al

a s s u m e d v a l u e s o f t h e F a n o f ac t or 1 5) .


3/10

T H E A R T I N S E M I C O N D U C T O R D E T E C T O R S

221

t h e s e t w o e n a b l e s u s t o s u p p o s e t h a t t h e s t a t i s t i c a l

c o n t r i b u t i o n t o t h e e n e r g y r e s o l u t i o n ( w h i c h s e t s t h e

u l t i m a t e l i m i t ) b e n o t v e r y d i s s i m i l a r f r o m t h a t f o r

S i a n d G e . T h i s c o u l d b e v a l i d a l s o f o r C d T e a n d

H g I 2 , f o r w h i c h t h e i n f lu e n c e o f s e v e r e t r a p p i n g

p h e n o m e n a i n t h e d e t e c t o r s p r e s e n t l y a v a i l a b l e i n h i b i t s

a n y s p e c u l a t i o n o n t h e u l t i m a t e e n e r g y r e s o l u t i o n .

2 . S i l i c o n a n d g e r m a n i u m l i th i u m d r if t e d d e t e c t o r s

2.1. Si(Li)

T h e m o s t i m p r e s s iv e a p p l i c a t i o n o f th e s e d e t e ct o r s

a p p e a r s n o w t o b e i n t h e f ie l d o f v e r y l o w e n e r g y

X - r a y s p e c t r o s c o p y ( 0 . 2 - 2 0 k e V ) . T h i s r e s u l ts f r o m a

c o n t i n u o u s i m p r o v e m e n t in th e e n e r g y r e s o lu t i o n o f

t h e s e d e t e c t o r s d u e e s s e n t i al l y t o t h e e f f o r t s o f th e

B e r k e l e y g ro u p ~ 7 '~ 8 ) . T h e y h a v e b e e n a b l e i n f a c t t o

i m p r o v e t h e e n e r g y r es o l u t io n o f X - r a y s p e c t r o m e t e r s

t o a b o u t 1 00 e V , m a k i n g p o s s i b l e t h e s e p a r a t i o n o f al l

e l e me n t s a b o v e c a r b o n i n t h e p e r i o d i c t a b l e ( f i g . 3 ) .

T h e i m p r o v e m e n t c o m e s f r o m t h e u s e o f ne w d e t ec -

t o r c o n f i g u r a t i o n [ d o u b l e g u a r d - r i n g s t r u c t u r e t 9 ) ] a n d

f r o m s u i t ab l e s e le c ti o n a n d m o u n t i n g o f t h e i n p u t

F E T a n d t h e u s e o f a p u l s e d l i g h t f e e d b a c k s y s t e m i n

t h e p r e a m p l i f i e r : ) .

U s i n g a 5 m m d i a m e t e r a n d 3 m m t h i c k S i( L i) ,

J a k l e v i c a n d G o u l d i n g 1 8) w e r e a b l e t o d e t e c t t h e K l in e

o f c a r b o n ( 2 7 7 e V ). T h e m e a s u r e m e n t w a s p e r f o r m e d

w i t h t h e s o u r c e i n t h e c r y o s t a t . T h e d e t e c t o r e n t r a n c e

w i n d o w ( g o l d s u r f a c e b a r r i e r o n c o m p e n s a t e d s i l i c o n )

h a d a t h i c k n e s s e q u i v a l e n t t o 0 . 2 y m o f s i l i c o n .

F o r p r a c t i c a l a p p l i c a t i o n s w h e r e a h i g h e r g e o m e t r i c a l

e f fi c ie n c y i s n e e d e d , 3 0 0 - r a m 2 d e t e c t o r s a r e c o m m e r -

c i a l ly a v a i l a b l e w i t h a r e s o l u t i o n o f 2 55 e V f o r 5 . 9 - k e V

X - r a y s .

2 . 2 . G e ( L i )

T h e s t at e o f t h e a r t r e a ch e d i n g e r m a n i u m - c r y s t a l

p r o d u c t i o n , d e t e c t o r t e c h n o l o g y a n d a s s o c i a t e d e l ec -

t r o n i c s h a s a l l o w e d t o p r o g r e s s i v e l y in c r e a s e t h e

d e t e c t o r a c t i v e v o l u m e a n d t h e e n e r g y r e s o l u t i o n .

I n t h e l o w - e n e r g y r a n g e s m a l l - v o l u m e ( 1

cm 3 )

d e t e c t o r s a r e a v a i l a b l e w i t h e n e r g y r e s o l u t i o n o f

t h e

o r d e r o f 2 0 0 e V a t 5 . 9 k e V . W i n d o w t h i ck n e s s

( ,- , 1 y m G e ) l i m i t s t h e u s e o f G e ( L i ) a t v e r y l o w e n e r g y

X - r a y s w h i l e f o r e n e r g i e s a b o v e 2 0 - 3 0 k e V t h e i r

h i g h e r e f f i c i e n c y m a k e s t h e m p r e f e r a b l e t o S i ( L i )

d e t e c t o r s . E n e r g y r e s o l u t i o n s b e l o w 2 k e V a t 1 3 3 0 k e V

a r e o b t a i n a b l e f o r a d e t e c t o r v o l u m e o f t h e o r d e r o f

40 cm 3.

T h e t r a p p i n g o f c h a r g e c a r ri e r s r em a i n s t h e m o s t

i m p o r t a n t f a c t o r l i m i t i n g t h e r e s o l u t i o n p e r f o r -

M g A I S i P U L S E R

' T T T T

~ o

~ ~ ~ ~

~ ~ ~ ~

40 ~ ~ / ~ ~ I

. m l

x I

20 x ~ ~ ~ 105eV \ F 91eV ~ I

1 0 1 5 20

ENERGY keV)

F i g . 3 . X - r a y s p e c t r u m o f M g , A I , S i a t lo w c o u n t i n g r a t e 1 8) .

m a n c e o f g e r m a n i u m l i t h i u m - c o m p e n s a t e d d i o d es .

T h e r e f o r e t h e e f f o r t s a r e d i r e c t e d t o t h e i n v e s t i g a t i o n

o f th e o r i g in o f t r a p p i n g p h e n o m e n a . A f t e r t h e

f i rs t

a t t e m p t s r e p o r t e d a t t h e 1 96 8 I s p r a m e e t i n g 2 ) s t u d ie s

a r e n o w s y s t e m a t ic a l l y p e r f o r m e d p r i n c ip a l l y b y t h e

C h a l k R i v e r G r o u p , t h e f i r m H o b o k e n a n d t h e S t r a s -

b o u r g G r o u p 2 1 ) . N o d e f i n i t i v e c o n c l u s i o n c a n s t i l l b e

d e r i v e d f r o m t h e r e s u l t s o b t a i n e d .

T h e i m p r o v e m e n t i n t h e m a t e r i a l c h a ra c t er i st i c s a n d

t h e c a p a b i l i t y o f a p p l y i n g a h i g h e l e ct r ic f ie ld w h i c h

r e d u c e s t h e t r a p p i n g e f f e c t s , h a s a l l o w e d t o i n c r e a s e

s i g n i f i c a n t l y t h e d e t e c t o r a c t i v e v o l u m e p r e s e r v i n g a

g o o d e n e r g y r e s o l u t i o n . A s a m a t t e r o f f a c t a ct i v e

v o l u m e s w e l l a b o v e 1 00 c m 3 h a v e b e e n r e p o r t e d f o r t h e

c o n v e n t i o n a l c o a x i al s t r u c tu r e b y t h e S t r a s b o u r g a n d

C h a l k R i v e r

g r o u p s 2 2 ' l s ) ;

l a r g e - v o l u m e d e t e c t o r s f o r

t h e p l a n a r c o n f i g u r a t i o n h a v e b e e n d e v e l o p p e d a t

H a rw e l1 2 3 ) a n d 6 6 - c m 3 p l a n a r d e t e c t o r s a r e n o w

c o m m e r c i a l l y a v a i l a b l e .

T h e a c t i v e d e t e c t o r v o l u m e i s s t a n d a r d i z e d a s

1 .3 3 M e V f u ll e n e r g y p e a k c o u n t i n g e f fi c ie n c y w i t h

r e s p e c t t o t h a t o f a 3 3 N a I ( T 1 ) c r y s ta l ( in p e r c e n t )

w i t h t h e s o u r c e p l a c e d 2 5 c m a w a y f r o m t h e d e t e c to r 2 4 ).

V a l u e s a b o v e 2 0 % a r e a v a i l a b l e f o r c o m m e r c i a l

d e t e c t o r s . T h e s h a p e o f th e s e n s it i v e z o n e o f t h e

c o a x i a l G e ( L i ) c a n b e c o m p l i c a t e d b y t h e p r e s e n c e o f

i n s e n s i t i v e r e g i o n s , w h i c h a r e d e t e c t a b l e b y c a r e f u l

7 - r a y s c a n n in g o f t h e d e t e c to r 2 5) (f ig . 4 ) .

E f f i c ie n c y - i n s ta b i l it y p r o b l e m s d u e t o i n s e n si t iv e

z o n e s a r e p r e s e n t l y o b j e c t o f i n v e s ti g a ti o n 2 6 '2 7 ) . E v e n

i f t h is p h e n o m e n o n is n o t d e m o n s t r a t e d t o b e a g en e r al

p r o b l e m , i t is w o r t h w h i l e t o b e m e n t i o n e d , b e c a u s e o f

t h e i m p o r t a n c e , f o r u s e r s o f t h e s e d e t e c to r s , o f p o s s i b l e

d e c l i n e i n e f f ic i e n c y w i th t ime .

L a r g e - v o l u m e h o l l o w - c o r e c o a x i a l d e t e c t o r s a r e

i n t e r e s t i n g f o r c o u n t i n g w e a k s o u r c e s w h i c h m a y b e

V . ~ - R A Y , X - R A Y C O U N T I N G A N D S P E C T R O M E T R Y P R O B L E M S


4/10

2 2 2

G . B E R T O L I N I e t a l .

N

t o

t o _

2 z 6

r n m

I I

@

o 1 2 0 0

V O L T

A~

e ~

o 3 3 3 VOLT

oa

o

o

FROM 22 keV FULL ENERGY PEAK EFFICIENCY ATTENUATION

o FROM 22 keV BEAM LONGITUDINAL SCANNING

A FROM 662 keY BEAM LONGITUDINAL SCANNING

Fig. 4. Shap e o f the sens it ive zon e o f a co axial Ge(Li) de tector as d etermined by T-ray scanning25).

Z

Z

-r

O~

LJ

1 3

Z

0

I I I I 1 I I I I

Ge Li) DE TE 3TOR GOR 59 36

HOLLOW COAXIAL 44 cm 3

SOURCE ~0 INSIDE DETECTOR

BIAS I700V

T.C 2/~s

id

. 7 3 k e y 3 3 3 k ey

d

10

O 100 200

SUM PEAK

2506 keV

_4.4

key

300 400 500 6OO 700 800

PULSE HEIGHT CHANNEL NO.)

9OO

PULSER

\

I000

F ig . 5. P a r t o f a 6Co spec t rum m easured wi th the source p laced cen t ra lly in the ho l low core o f a 44-cma detector. The absolute

efficiency at 1333 keV is 1.3% 28).

p l a c e d i n s i d e t h e d e t e c to r . W e l l - t y p e d e t e c t o r s h a v e

b e e n r e p o r t e d s i n c e 1 9 6 6 ; h o w e v e r , t h e b e s t r e s u l t s

h a v e b e e n o b t a i n e d a t C h a l k R i v e r2 a ) , w h e r e a h o l l o w

d e t e c t o r o f 7 5 c m 3 u s e f u l v o l u m e w i t h a 3 1 - m m c e n t r a l

h o l e h a s b e e n c o n s t r u c t e d .

F i g . 5 s h o w s t h e v - r a y s p e c t r u m m e a s u r e d w i t h a

4 4 - c m 3 d e t e c t o r h a v i n g a h o l l o w c o r e o f 1 9 m m i n

d i a m e t e r . A f i n a l r e m a r k o n G e ( L i ) d e t e c t o r s c o n c e r n s

t h e i r p a r t i c u l a r s u i t a b i li t y a s v e r y l o w b a c k g r o u n d

v - r a y s p e c t r o m e t e r s . I n f a c t t h e a m o u n t o f n a t u r a l or-

r a d i o a c t i v e e le m e n t s , p r e s e n t in t h e g e r m a n i u m c r y s t al

a n d r e s p o n s i b l e f o r t h e i n t r in s i c d e t e c t o r b a c k g r o u n d

c o u n t i n g r a t e h a s b e e n e v a l u a t e d i n a 6 8 - c m 3 G e ( L i )

d e t e c t o r t o b e l e s s t h a n 1 0 - 6 p p m a t o m i c 2 9 ) . T h i s

a l l o w e d t o o b t a i n f o r t h i s d e t e c to r , l o c a t e d i n a n

u n d e r g r o u n d l a b o r a t o r y a n d s u i t a b l y s h i e ld e d , a


5/10

T H E A R T I N S E M I C O N D U C T O R D E T E C T O R S

2 2 3

10000

8 000-

~; 6

0 0 0 -

z 4000-

g

2~lAm SO URCE

148 2

5 t u r n T H I CK lcm D I AM ET ER

525 VOLTS

PEAKING TIME 17 psec

2 0 0 0 ~ ~ / G e K a E S C P E

PEAKS

2 4 6 8 o ~ 2 4 i ; i ~ 2 b 2 ~

ENERGY keY)

F ig . 6 . L o w- e n e r g y p a r t o f a n 2 4 1 Am p h o t o n sp e c t r u m t a ke n w i t h a h yp e r p u r e - Ge d e t e c t o r 3 6 ) .

2 4 2 6 2 ~

b a c k g r o u n d c o u n t i n g r a t e a s l o w a s 0 . 0 9 c o u n t s

k e V - 1 h - a a t 5 0 0 k e V a n d 0 .0 2 3 c o u n t s k e V - I h - ~ a t

1000 keV.

3. Hyperp ure german ium detectors

G e r m a n i u m c r y s t a l s w i t h a n i m p u r i t y c o n c e n t r a t i o n

o f 1 01 a t o m s c m - 3 c a n b e u s e d t o p r o d u c e d e t e c to r s

w i th 1 c m t h i c k d e p l e t i o n d e p t h i f a p - n j u n c t i o n

i s r e a l i z e d r e v e r s e b i a s e d a t s o m e h u n d r e d s v o l t s .

S u c h a d e t e c t o r h a s t h e r e m a r k a b l e a d v a n t a g e o f

a v o i d i n g l i t h i u m c o m p e n s a t i o n w i t h p o s s i b i l i t y o f

s t o r a g e a t r o o m t e m p e r a t u r e w i t h o u t d e t e r i o r a t i o n .

T h i s w a s c l e a r l y i n d i c a t e d a t t h e m e e t i n g h e l d i n

1 96 6 in N e w Y o r k C i t y3 ) . T h e f i rs t r e p o r t o n t h e

DET 2012-1

32 cm 3 PLANAR

60Co SPECTRUM

LINEAR SCALE)

VB : 4500 VOLTS

: 2 p se c

. . . . . ~ _ J l

117 MeV

PULSER

58 KeW

1.33 MeV

2.34 KeW

FWHM

L

F i g . 7. 6 C o 7 s p e c t r u m t a k e n w i t h a h y p e r p u r e - G e d e t e c to r 4 O ).

f a b r i c a t i o n o f d e t e c t o r s f r o m h i g h - p u r i t y G e i s d u e t o

B o r k o w s k i a n d K o p p 3 1 ). O n e y e a r l a t er t h e a b o v e -

i n d i c a t e d p u r i t y l e v e l w a s a c h i e v e d b y H a l l a t G e n e r a l

E l e c t ri c 6 ) a n d m o r e r e c e n t l y b y a B e r k e l e y G r o u p 3 2 ) ,

w i t h c o n s id e r a b l e i m p r o v e m e n t in t h e p e r f o r m a n c e o f

d e t e c to r s T ' 3 3 - 4 2 ) . S e v e r a l a l t e r n a t i v e me th o d s h a v e

b e e n u s e d i n t h e d e t e c t o r f a b r i c a t i o n b a s i c a l l y c o n s i s t -

i n g i n a p p l y i n g n a n d p + c o n t a c t s w i t h c a r e in o r d e r

t o a v o i d c o n t a m i n a t i o n o f t h e g e r m a n i u m . F o r t h e n +

c o n t a c t , l i t h i u m i s g e n e r a l l y u s e d , w h i c h h a s b e e n

p r o v e d t o b e q u i t e f r e e f r o m p r e c i p i t a t i o n p h e n o m e n a

a t leas t for a yea r15 '36) .

F o r t h e p + c o n t a c t a s u r f a c e b a r r i e r 3 1,3 3 ,3 6) o r a n

i o n - i m p l a n t e d c o n t a c t 3 4'4 2) h a s b e e n u s e d t o o b t a i n

t h i n e n t r a n c e w i n d o w d e t e c t o r s . S o l i d - p h a s e r e - g r o w t h

p r o c e s s i n g h a s b e e n u s e d t o f a b r i c a t e p + c o n t a c t s o n

h i g h - p u r i t y G e 4 3 ) . T h e e n e r g y r e s o l u t i o n o f t h es e

d e t e c t o r s i s s i m i l a r to t h a t o f l i t h iu m - d r i f t e d d e t e c t o r s

o f e q u i v a l e n t s i z e. F i g . 6 s h o w s t h e l o w - e n e r g y p a r t

o f a n Z 4 1A m p h o t o n s p e c tr u m 3 ~ ) .

T h i s d e t e c t o r , 1 c m i n d i a m e t e r a n d 5 m m t h i c k ,

e x h i b i t s a n e n e r g y r e s o l u t i o n o f 1 8 0 e V a t 5 . 9 k e V .

I n t h e f i g u r e , G e X - r a y e s c a p e p e a k s a r e e v i d e n t ; t h i s

l i m i t s t h e u s e f u l n e s s o f a G e s p e c t r o m e t e r a s a n

a n a l y t i c a l t o o l . G a m m a s p e c t r o s c o p y h a s b e e n

p e r f o r m e d w i t h p l a n a r d e t e c t o r s u p t o 3 2 c m 3 w i t h a

r e s o lu t i o n o f 2 . 3 4 k e V f o r 1 .3 3 M e V ( fi g .

7 ) 4 0 ) .

T h e d e t e c t o r w a s p r e p a r e d d e p l e t i n g f o r 2 .1 c m a

5 - c m d i a m e t e r G e n e r a l E l e c t r i c c r y s t a l .

E n e r g y r e s o l u t i o n a t 1 . 3 3 M e V o f 1 . 9 5 k e V h a s b e e n

r e p o r t e d f o r a 5 . 6 - c m 3 c o a x i a l d e t e c to r 3 9 ) .

T h e t i m i n g p r o p e r t i e s o f c o a x ia l d e t e ct o r s m a d e

V . ~ ] -R A Y , X - R A Y C O U N T I N G A N D S P E C T R O M E T R Y P R O B L E M S


6/10

224 G. BE RT OL INI e t a l.

f r o m h y p e r p u r e g e r m a n i u m c o m e o u t t o b e b e t t e r

c o m p a r e d t o t h o s e o f G e ( L i ) c o a x i a l d e t e c t o rs . T h i s h a s

b e e n s h o w n 4 4) t o b e a c o n s e q u e n c e o f th e m o d i f i c a t i o n o f

t h e

1 / r

d i s t r i b u t i o n o f t h e e l e c t ri c f i e ld b y t h e f ix e d

s p a c e c h a rg e . T h i s r e s u lt s in a h i g h e r a n d m o r e u n i f o r m

f ie l d d i s t r i b u t i o n i n a l ar g e p o r t i o n o f t h e d e t e c t o r

v o l u m e . E l e c tr o n - an d e - s p e c t r o s c o p y h a v e a l s o b e e n

s u c c e s s f u l l y p e r f o r m e d , a s s h o w n in f ig s . 8 3 2) a n d 9 4 2 ),

d e m o n s t r a t i n g t h e a c h i e v e m e n t o f a v e r y t h i n e n t r a n c e

w i n d o w

4 Cadm ium te l lur ide

I t h a s l o n g b e e n r e a l iz e d t h a t t h e p r o b l e m h i n d e r i n g

a w i d e a p p l i c a t io n o f c a d m i u m t e ll u ri d e f o r r a d i a t i o n

_ I I

e K - - 9 7 6 k e Y B i 2 0 7

C O N V E R S I O N E L E C T R O N S -

T H R O U G H G O L D F A C E

_

D I O D E ~ 1 2 7 - 1 8 A -

~ k ~ / ~ /

,r f 4 5 m r n - -

- - F W H M = 2 ke V A u ~ L i

5 0 0 V B I A S

e L t

1 0 4 8 ke V _ 1 0 6 4 k e V

1

n

q . . _ l I I I I I I I I L ~ I L e ~ l L

C H A N N E L : if -

Fig. 8.207Bi electron-conversion spectrum taken with a hyperpu re-

Ge detector32).

d e t e c t i o n r e s i d e s i n t h e m a t e r i a l p u r i t y a n d p e r f e c t i o n

a c h i e v a b l e . R e s e a r c h f o r a d e t e c t o r - g r a d e m a t e r i a l ,

s t a r t e d s o m e y e a r s a g o a t H u g h e s 8 ) a n d i n t h e

U . S . S. R . 9) , a n d m o r e r e c e n t l y j o i n e d b y t h e e f fo r t s o f

o t h e r l a b o r a t o r i e s , G . E .4 5 ) , S t r a s b o u r g C N R S 4 6) a n d

T y c o L a b .4 7 ), h a s h o w e v e r p r o c e e d e d q u i t e s l o w l y .

T h e r e la t iv e l y h i g h a t o m i c n u m b e r o f C d T e p r e s e n t s

a n a d v a n t a g e o v e r G e f o r a n e f f i c i e n t d e t e c t i o n o f ?

r a y s ; h o w e v e r , p r e s e n t l y t h e m a i n a d v a n t a g e r e s i d e s i n

t h e p o s s i b i l i t y o f o p e r a t i n g t h e d e t e c t o r a t r o o m t e m -

p e r a t u r e , t h e l i m i t e d d i m e n s i o n s a c h i e v e d b e i n g s u f f i -

c i e n t f o r s p e c i a l a p p l i c a t i o n s .

S e m i - i n s u l a t i n g C d T e s i n g l e c r y s t a l s a r e p r e p a r e d b y

v a p o r - g r o w n o r B r i g d m a n - g r o w n t e c h n i q u e a t H u g h e s

a n d m o r e r ec e n tl y at T y c o L a b . u s i n g t h e T H M s y s t e m

w i th a t e l l u r i u m s o lv e n t ; i t i s a t p r e s e n t d i f f i c u l t t o g iv e

p r e f e r e n c e to o n e o f t h e m e t h o d s . L o w - r e s i s t i v i ty

m a t e r i a l h a s b e e n p r e p a r e d a t G e n e r a l E l e c t r i c a n d a t

S t r a s b o u r g C N R S b y a s e a l e d - i n g o t z o n e - r e f i n i n g

t e c h n iq u e .

I n t h e f a b r i c a t i o n o f t h e c o u n t e r s , s a t i s f a c t o r y

r e s u l t s h a v e b e e n o b t a i n e d w i t h s u r f a c e b a r r i e r s a n d

m o r e r e c e n t l y w i t h i o n - i m p l a n t e d c o n t a c t s 4 8 ) .

R o o m - t e m p e r a t u r e c ~- ra y s p e c t r a w i t h a r e s o lu t i o n

o f 2 3 k e V f w h m h a v e b e e n p e r f o r m e d b y C o r n e t

e t a l. 48 ) o p e r a t i n g a t r o o m t e m p e r a t u r e a n 8 - m m 2 l o w -

r e s i s t i v i t y i o n - i m p l a n t e d d e t e c t o r .

I n p h o t o n s p e c t r o s c o p y t h e h i g h e s t r e s o l u t i o n h a s

b e e n r e p o r t e d b y B e l l a n d W a l d t4 9 ). U s i n g a n 8 - m m s

d e t e c t o r , t h e s e a u t h o r s h a v e o b t a i n e d a r e s o l u t i o n o f

4 % o v e r th e r a n g e 1 2 2- 66 1 k e V a n d d e m o n s t r a t e d

d e t e c t o r l i n e a ri t y u p t o 1 .5 M e V ( p h o t o p e a k p o s i t i o n

v s e n e r g y ) .

S e n s it i v e v o l u m e s u p t o 2 0 0 m m 3 h a v e b e e n r e c e n t l y

o b t a i n e d b y Z a n i o 5 ) w i th a r e s o l u t i o n o f 7 % a t

1

0

Z

0

l f f

l O

i i

Ca)

5 . 4 8 6 eV

~ : : f

/~// 5.~{

I O N I M P L A N T E D

p + - v - n + G e

3 . 1 0 ( N O N A ) / c m 3

t ' / mm.gOV,7 '7 K

2 ~ ~ m ~ F R O N T

CONTACT

P U L S E R

% . .

B 6 N b V

'

1 6 k e V ~

o

P L L S E R

m

1 5 0 0 1 5 5 0

C H A N N E L

4 2

Fig. 9. 241Am c spectrum in log arithmic and linear scale; hyperpure-G e detector ' ).


7/10

T H E A R T I N S E M I C O N D U C T O R D E T E C T O R S 2 2 5

Z

Z

Documents

Current state of the art in semiconductor detectors.pdf