CdZnTe(CZT) 半導体検出器

2.7 CdZnTe(CZT) ^{半導体検出器}

低エネルギー側へのテールの影響を小さくし、高いエネルギー分解能を得るには、リーク電流 を抑えつつ、高いバイアス電圧をかけることが要求される。そのための手法として、現在実用化 されているものの一つがCdZnTe(CZT)^{半導体である。}

CZT^{半導体は、}CdTe^のCd^の10%^ほどをZnで置き換えた半導体であり、CdTe^{よりの広いバン} ドギャップを持つ。アメリカのeV Products^社では、High Pressure Bridgman (HPB)^{と呼ばれる} 100^{気圧の圧力下で}1000^◦Cを超える温度で溶解させて、結晶を成長させる手法により、非常に大き な比抵抗を持つCZT^{半導体を製造している}[16, 17]^。HPB^法によるCZT^{の比抵抗は}3×10¹⁰Ωcm とTHM^によるCdTe^{の比抵抗の数}10倍である。そのため、このCZT半導体では、高いバイア ス電圧下でもリーク電流を小さく抑えることが可能である。図 2.13 ^がCdTe^半導体とCZT^半導 体のリーク電流を比較したものである。

図 2.13: CZT^とCdTe^のI-V^{特性。温度は}20^◦C^{。素子の大きさは}4mm×4mm^、厚さが2mm^。 Keithley237^で測定。

同じ大きさで同じ条件では、CZT^を使うとCdTe^{に比べて、}5^分の1のリーク電流に抑えること ができる。そのため、CZTの方が高いバイアス電圧をかけることが可能になる。図2.14 ^は20^◦C でのCdTe^{検出器のスペクトルと}CZT検出器のスペクトルを比較したものである。どちらも大 きさは4mm×4mm^、厚さは2mmである。バイアス電圧はCdTe^検出器で100V^、CZT^検出器で 300Vである。検出器以外の装置は共通で、CSA^がCP5102BS^、Shaping Amp^がORTEC571^で Shaping time^は0.5µs^である[24, 25]^。

CdTeでは、リーク電流のため、かけることのできるバイアス電圧が低い分、低エネルギー側へ のテールが残り、エネルギー分解能はその分だけ悪くなる。一方、CZT^では、CdTe^{と同じリー} ク電流ならば、高いバイアス電圧の下で動作可能であり、高いバイアス電圧によって、低エネル ギー側へのテールも少なくなり、エネルギー分解能もその分だけ良くなる。

また、ACRORAD^のPt-CdTe-Pt型の検出器と同じように、CZTも優れた安定性を示す。様々 な温度の条件の下で、性能の劣化なしに長時間動作させることができる。

CZT^{の欠点は、ホールの}µ_hτ_h^がCdTeよりさらに悪いことである。そのため、低エネルギー側

(1)CdTe^での241Am^{のスペクトル、エネル} ギー分解能は59.5keV^で3.9keV(FWHM)^。

(3)CdTe^での57Coのスペクトル、エネルギー 分解能は122keV^で6.9keV(FWHM)^。

(2)CZT^での241Amのスペクトル、エネルギー 分解能は59.5keV^で2.3keV(FWHM)^。

(4)CZT^での57Coのスペクトル、エネルギー分 解能は122keV^で4.2keV(FWHM)^。 図2.14: CdTe^とCZTのスペクトルの比較。どちらも大きさは4mm×4mm^、厚さ0.5mm^。温度 は20^◦C^{。バイアス電圧は、}CdTe^が100V^、CZT^が300V^。CSA^はCP5102BS^。Shaping Amp^に はORTEC571^を用い、Shaping time^は0.5µs^。

2.7. CdZnTe(CZT)^{半導体検出器} 33 へのテールを完全になくすためには、さらに高いバイアス電圧を必要とする。ただし、現状では 1mm^厚に1kVを越えるような高いバイアス電圧をかけることはできていない。

また、ACRORAD^のTHM^によるCdTeは、インゴット単位の単結晶で製造可能なのに対し、

eV Products^のHPB^法によるCZTでは、多数の単結晶が入った多結晶のインゴットとして製造 される[16, 17]。そのため、大面積の検出器に必要となる大きな単結晶は得にくく、2cm×2cm^よ り大きな検出器を作ることは現在のところ難しい。加えて、均質性は悪く、場所ごとに検出器と しての性能にばらつきがある。図 2.15^は、CdTe^とCZT^{の赤外線写真である}[21]^。CdTe^やCZT は赤外線を通すため、赤外線で写真をとると結晶の内部の様子がわかる。(a)^はCdTe^であり、(b) はCZT^である。(b)^のCZTで見える模様は、結晶の境界であり、CZTが多結晶から作られるこ とを表す、一方 (a)^のCdTeでは、境界はなく、均質であることがわかる。

(a) (b)

図2.15: CdTe^とCZT^{の赤外線写真}[21]^。(a)^がCdTe^、(b)^がCZT^。CZT^{のほうには、結晶の境} 界が見える。