Experimental qualification of a germanium drift detector built in planar technology

The invention of the semiconductor drift chamber by Emilio Gatti and Pavel Rehak in 1983 revolutionized X-ray spectroscopy and opened the way to the development of Silicon Drift Detectors, characterized by high energy resolution, low noise, and high-rate operations. However, the low detection efficiency for photons with energy higher than 20 keV that characterizes Si detectors produced with detector-grade microelectronic technology represents a limit to high-resolution hard X-ray spectroscopy. Maintaining adequate material thickness and depletion voltages, this limit can be overcome only by higher-Z materials, among which germanium stands out for its excellent charge transport properties. In recent years, the evolution of technology for Ge detectors segmented in strips and pixels has made the time ripe for implementing drift topologies in germanium. This will allow the overcoming of silicon's limitations and the integration of drift and pixelated topologies for applications involving high-energy X-rays. In this perspective, the present thesis focuses on the experimental qualification of the first cylindrical high-purity Germanium Drift Detector realized in a fully planar process. We first present the experimental setup and the vacuum-cryogenic conditions, followed by the modifications made to reach the depletion condition from which the doping concentration was estimated. Subsequently, we describe the measurements regarding the transport of charge generated by interaction with an infrared laser, aimed at mapping the entire radial distance from the anode. The data analysis for amplitudes and collection times of the generated charge demonstrates no charge loss over the entire active area, representing to our knowledge the first evidence of the drift mechanism in a germanium detector built in planar technology. The performed characterization also provided information on the detector's properties, such as mobility and velocity of electrons, which were also investigated with simulations of the potential distribution, electric field, and carriers' trajectories. Considerations on temperature and upgrades for future experiments conclude the present work.

L'invenzione della camera a deriva a semiconduttore da parte di Emilio Gatti e Pavel Rehak nel 1983 ha rivoluzionato la spettroscopia a raggi X e portato allo sviluppo dei rivelatori a deriva in silicio, caratterizzati da alta risoluzione energetica, basso rumore e operazioni ad alto rate. Tuttavia, la bassa efficienza di rivelazione per fotoni con energia superiore a 20 keV da parte dei rivelatori in silicio prodotti con tecnologia microelettronica costituisce un limite per la spettroscopia ad alta risoluzione di raggi X duri. Mantenendo spessore e tensioni di svuotamento adeguati, questo limite può essere superato solamente tramite l’impiego di materiali caratterizzati da un numero atomico Z maggiore, fra i quali il germanio risalta per le sue eccellenti proprietà di trasporto della carica. I recenti sviluppi della tecnologia per la realizzazione di rivelatori in germanio segmentati in strip e pixel hanno reso i tempi maturi per l’implementazione di topologie a deriva in germanio, che consentiranno il superamento dei limiti imposti dal silicio e l’integrazione di topologie a deriva e pixel per applicazioni rivolte ai raggi X ad alta energia. In questa prospettiva, il presente lavoro di tesi si concentra sulla qualificazione sperimentale del primo rivelatore a deriva in germanio a topologia cilindrica e realizzato tramite processo completamente planare. Vengono innanzitutto presentati l’apparato sperimentale e le condizioni criogeniche e di vuoto, seguite dalle modifiche apportate per raggiungere la condizione di svuotamento da cui è stata stimata la concentrazione di droganti. In seguito, sono descritte le misure riguardanti il trasporto della carica generata tramite interazione con un laser a infrarossi e finalizzata a mappare l’intera distanza radiale dall’anodo. L'analisi dei dati di ampiezza e tempo di raccolta della carica generata dimostra l’assenza di perdita di carica su tutta l’area attiva del dispositivo, fornendo a nostra conoscenza la prima osservazione del meccanismo di deriva in un rivelatore in germanio realizzato con tecnologia planare. La caratterizzazione effettuata ha permesso di ricavare ulteriori informazioni sulle proprietà del rivelatore, come la mobilità e la velocità degli elettroni, che sono state studiate anche tramite simulazioni della distribuzione di potenziale, del campo elettrico, e delle traiettorie dei portatori di carica. Considerazioni sulla temperatura e sviluppi futuri concludono il presente lavoro.