Electrical and spectroscopic characterization of polarization phenomena in CdTe X-ray detectors

The technological development of semiconductor detectors, with a significant improvement in front-end electronics, has given a major boost to the development of high-energy X-ray analyses. In the industrial sector, the possibility to have radiographies with spectroscopic information has paved the way for new possible methods of non-invasive analysis, such as the identification of possible contaminants through material recognition techniques. The main systems using this technique are based on detectors that use CdTe or CdZnTe crystals as semiconductor, due to their high efficiency in revealing X-rays (thanks to high atomic number) and the possibility of being used at room temperature with low noise (thanks to the wide band gap). This thesis studies the phenomenon of bias in CdTe detectors with Schottky contacts, in particular referring to the detectors developed by Xnext®. After illustrating the main theoretical models in the literature, we present a simulation showing how polarization is changing the spectroscopic response of the detector, in particular by assessing the variation over time of the position of a peak and of the average efficiency of collecting charges in the crystal. The experimental analysis is focused on two different types of measurement, one of the reverse current variation over time and one spectroscopic. With the former, it was possible to estimate the height of the Schottky barrier at the anode, the proportionality coefficient between the electric field at the anode and the change in the height of the barrier, and the energy level of the trap state in the gap. However, a long-term current measurement (7:30 h) made it necessary to assume the presence of two different trap states in the gap. The lack of further measures at different temperatures did not allow us to assess their energy. With spectroscopic analysis, we focused on assessing the energy level of the trap state by analyzing peak displacement and variation over time in the average collection efficiency of charges in the crystal. The results are in accordance with the literature. These results, to be completed in the experimental part with other measurements lasting several hours, suggest that a direct determination of the presence of more than one energy level for the trap states in CdTe is needed in order to better understand its intrinsic limits and the appearance of polarization in X-ray detectors based on CdTe.

Lo sviluppo tecnologico dei detector a semiconduttore, con un notevole miglioramento dell'elettronica di front-end, ha dato un grande impulso allo sviluppo delle analisi radiografiche a più energie. In ambito industriale la possibilità di effettuare radiografie con informazioni spettroscopiche ha aperto la strada a nuovi possibili metodi di analisi non invasiva, come l'identificazione di possibili contaminanti tramite tecniche di riconoscimento dei materiali. I principali sistemi basati su questa tecnica utilizzano rivelatori a stato solido in CdTe o CdZnTe, che offrono alta efficienza nel rivelare i raggi X (per l’elevato numero atomico) e la possibilità di essere usati a temperatura ambiente con basso rumore (per la gap elevata). In questa tesi si studia il fenomeno di polarizzazione da bias in rivelatori CdTe con contatti Schottky, in particolare riferendosi ai detector sviluppati da Xnext®. Dopo aver presentato i principali modelli teorici presenti in letteratura, è stata implementata una simulazione che mostra come la polarizzazione vada a modificare la risposta spettroscopica del detector, in particolare valutando la variazione nel tempo della posizione di un picco e dell'efficienza media di collezione delle cariche nel cristallo. L'analisi sperimentale si è concentrata su due tipi di misura: la variazione della corrente inversa nel tempo e l’analisi spettroscopica diretta con sorgente monocromatica. Con la prima è stato possibile stimare l'altezza della barriera Schottky all'anodo, il coefficiente di proporzionalità tra il campo elettrico all'anodo e la variazione dell'altezza della barriera e il livello energetico dello stato trappola nella gap. Una misura della corrente su tempi lunghi (7:30 ore) ha imposto di assumere la presenza di due diversi stati trappola nella gap, contrariamente a quanto fatto di solito. L'impossibilità di fare ulteriori misure a temperature differenti non ci ha tuttavia permesso di valutare la loro energia. Con l'analisi spettroscopica ci siamo concentrati sulla valutazione del livello energetico dello stato trappola tramite l'analisi dello spostamento del picco e della variazione nel tempo dell'efficienza media di collezione delle cariche nel cristallo. I risultati ottenuti sono in accordo con quanto riportato in letteratura. Questi risultati, da completare per la parte sperimentale con altre misure su tempi di alcune ore, suggeriscono che un’analisi diretta della presenza di più livelli energetici degli stati trappola nel CdTe sarà necessaria per capirne meglio i limiti di funzionamento e l’insorgere della polarizzazione nei rivelatori per raggi X.