Development of Contacts for CZT-based X and Gamma Ray Detectors

Oggigiorno i detector di radiazione ionizzante sono impiegati in diversi campi. Questi includono diagnostica per immagini (CT, SPECT), monitoraggio ambientale (controllo del fondo di radioattività naturale ed di aree contaminate), la sicurezza nazionale (controllo di cargo e bagagli) e l'astrofisica (studio delle emissioni x e γ dai corpi celesti). Negli ultimi decenni l'impiego di dispositivi a semiconduttore sta diventato sempre più importante sostituendo i classici scintillatori in svariati settori applicativi. I rilevatori a semiconduttore possono vantare di una migliore risoluzione energetica grazie alla conversione diretta della radiazione incidente in un segnale elettrico. Tra i semiconduttori, il tellururo di cadmio e zinco (CdZnTe o semplicemente CZT) soddisfa le principali richieste dei rivelatori di radiazioni. Il CdZnTe rappresenta il miglior compromesso in termini di efficienza energetica, elevato numero atomico Z, resistività e capacità di funzionare a temperatura ambiente. Attualmente è possibile realizzare rivelatori performanti con buona risoluzione energetica ed alta efficienza. Il CZT è particolarmente indicato per le applicazioni in cui sistemi di raffreddamento ingombranti sono fortemente scoraggiati o impossibili da implementare. Inoltre il suo alto numero atomico consente l’impiego in applicazioni dove la radiazione incidente è estremamente energetica (come nelle applicazioni spaziali). Purtroppo il CZT mostra alcuni problemi non ancora risolti. Nella mia tesi di dottorato ho focalizzato i miei sforzi nello studio dei contatti. I due aspetti principali che ho affrontato sono la geometria del contatto ed il metallo di cui è costituito. Il metallo costituente determina il tipo di contatto: la natura bloccante o ohmica dei contatti dipendono principalmente da esso. In questa tesi è riportato un approfondito studio, realizzato per diversi metalli, sulla struttura a bande, sulle proprietà elettriche e sulle caratteristiche fisico-chimiche dell'interfaccia metallo semiconduttore. L'altro aspetto importante, studiato durante il mio dottorato di ricerca, è la configurazione geometrica degli elettrodi. Con geometrie appropriate, è possibile recuperare il deterioramento delle prestazioni spettroscopiche causato dalle scarse proprietà di trasporto delle lacune. Inoltre la scelta del layout dei contatti è fortemente influenzata dalle richieste dell’applicazione in cui verrà impiegato il dispositivo. Queste richieste possono essere ad esempio l'efficienza di raccolta, la risoluzione energetica, la possibilità di fare imaging, ecc. In questa tesi sono riportati i più importanti risultati, ottenuti presso l'IMEM-CNR e il Dipartimento di Fisica dell'Università di Parma negli ultimi tre anni, per quanto riguarda i rilevatori di radiazione.