서
론
최근 수 십년 동안 방사선을 이용하는 분야가 급속하 게 발전하면서 방사선을 측정하기 위한 계측기들도 눈 부신 발전을 거듭하고 있다. 그러나 기존에 사용 중인 섬광체 계측기의 경우 섬광체에서 Photomultiplier tube (PMT) 또는 포토다이오드로 신호가 전달되는 과정에서 손실이 일어난다. 그리고 HP GE 검출기의 경우에는 분해 능은 좋지만 액체 질소 온도로 냉각하여 사용해야 하기 때문에 검출기의 부피가 커진다는 단점이 있다. 이러한 단점을 극복하기 위하여 새로운 방사선 검출기 재료에 대한 연구가 진행되고 있다. 근래에 들어 방사선을 이용하는 장비들이 수화물 검 색장치 및 의학영상 장치 등 세분화 되고 정밀화 됨에 따라 방사선 측정 시스템도 높은 정밀도가 요구되고 있 으며, 장비에 대한 부가적인 요소로 소형화에 대한 문제 도 같이 요구 되고 있다. 이와 같은 사회적 요구에 따라 ─ ─ 95 ──이동형 핵종 분석 장치용
CZT
반도체 검출기의
완충전극에 대한 연구
조윤호1,2∙박세환1∙김용균2∙하장호1,* 1한국원자력연구원 정읍방사선과학연구소 방사선기기연구부, 2한양대학교 원자력공학과A Study of Interface Layer on CdZnTe Radiation Sensor for
Potable Isotope Identifier
Yun Ho Cho1,2, Se-Hwan Park1, Yong Kyun Kim2and Jang Ho Ha1,* 1Advaned Radiation Technology Institute, Korea Atomic Energy Research Institue,
Jeongeup 580-185, Korea
2Department of Nuclear Engineering, Hanyang University, Seoul 133-791, Korea
Abstract-- The electrical and mechanical properties of electrode for radiation detection are very important. In general, Au electrode and CZT crystal are combined to form ohmic contacts, and the best energy resolution is shown at the Au electrode. The metal contacts are fabricated by elec-troless deposition method, sputtering deposition method and thermal evaporation method. The electrode fabrication is easy with use of the thermal evaporation method, while an adhesive strength is weak. Thus interface materials such as Ag, Al and Ni were investigated to overcome defects generated by the this method. The thickness of the interface material between the Au electrode and the CZT crystal was 100 Angstroms, the Au electrode with thickness of 400 Angstroms was deposited. The Al++Au electrode is shown that the results of current-voltage and radiation response are similar to results of Au electrode.
Key words : CdZnTe, Interface material, Metal contacts, Electrode
* Corresponding author: Jang Ho Ha, Tel. +82-42-868-2038, Fax. +82-42-868-4738, E-mail. [email protected]
새로운 방사선 검출기 제작을 위한 물질 연구가 활발하 게 진행되면서 상온에서 사용할 수 있는 반도체 검출기 에 대한 관심이 집중되고 있다.
Cadmium Zinc Telluride (CZT)는 II-VI족의 화합물로 높은 원자번호 (Cd:112, Te:127)와 높은 비저항 (resisti-vity)을 갖고 있으며, 에너지 밴드 갭 (energy bandgap)이 약 1.5 eV로(Glenn 2000) 다른 반도체 검출기와 비교하여 상대적으로 높다(Table 1). 이와 같은 CZT의 특성 때문에 작은 크기로 높은 측정효율을 얻을 수 있어 산업현장의 방사선 측정장비, 의학영상 장비 및 인공위성의 방사선 측정장치 등에 활용되고 있다 (Bolotnikov et al. 2003; Li et al. 2006). 고성능의 CZT 검출기를 제작하기 위해서는 CZT의 금 속전극이 중요하다. 전극물질과 접합 방법에 따라 CZT 검출기의 성능이 저하될 수도 있다. 예를 들어 고품질의 CZT 반도체에 최적화 되지 않은 전극을 접합할 경우 저 급한 품질의 방사선 검출기가 만들어지게 된다 (Nemi-rovsky et al. 1997). CZT 검출기의 전극을 제작하는 방법 은 다음의 세가지 방법이 주로 사용되고 있다: 1) 화학 반응법 (Electroless deposition method). 2) 이온 주입법 (Sputtering deposition method). 3) 열 증착법(Thermal evap-oration method). 화학 반응법은 화학물질과 CZT 반도체 원소 사이에 화학반응을 일으켜 전극을 제작하는 방법으로 일부 화 학물질이 CZT 표면에 남아 표면의 비저항을 떨어뜨릴 수 있는 문제점을 갖고 있다. 이온 주입법은 가장 튼튼 한 전극을 제작할 수 있는 방법이어서 상용화된 제품에 주로 사용되고 있다. 그러나 이온 주입법의 단점은 이온 으로 주입된 전극물질이 CZT 표면을 손상시키기 때문 에 검출기의 성능이 저하될 수 있다. 열 증착법은 가장 손쉽게 사용할 수 있는 방법으로 CZT 표면의 오염 없 이 전극제작이 가능하여 가장 많이 사용되는 방법 중의 하나이다. 그러나 열 증착법으로 제작된 전극은 접합이 약하여 쉽게 손상되는 단점을 가지고 있다 (Burger et al. 1997). 본 연구에서는 표면의 오염이 없이 전극의 제작이 가 능한 열 증착법을 이용하여 CZT 반도체와 전극 사이에 매개 전극을 삽입하여 전극의 접합성을 향상시키며, 검 출기의 성능을 유지 및 개선할 수 있는 매개 전극물질 에 대한 실험을 수행하였다.
재료 및 방법
실험은 Yinnel 사에서 제작된 크기 14×12×6 mm3크 기의 CZT 단결정을 사용하여 수행하였다. CZT 단결정은 표면의 흠집을 제거하기 위하여 SiC 페이퍼와 알루미나 파우더 (0.5μm에서 시작하여 0.03 μm로 마무리)를 이용 하여 표면을 연마하였고, DI-water에 담가 초음파 세척 기를 이용하여 표면에 남아 있는 이물질을 제거 하였다. 실험에 사용된 전극의 크기는 직경 3 mm이고, 열 증착 법을 이용하여 전극을 제작하였다. 전극을 증착하기 전 에 시편 표면에 남아 있을 지 모르는 이물질 제거를 위Table 1. Properties of semiconductor materials
Material Z Density Bandgap
(g cm-3) (eV)
Si 14 2.33 1.12
Ge 32 5.33 0.72
CdTe 48/52 6.06 1.52
Cd0.8Zn0.2Te 48/30/52 6 1.64
Table 2. Adhesion thickness and work function of tested
metalliza-tion materials Thickness (nm)
Work function (eV)
Material Au
Ag 10 40 4.26
Au 0 50 5.1
Al 10 40 4.28
Ni 10 40 5.15
Fig. 1. Diagram of CZT surface layer after the deposition of Au contacts. (a) Only Au contacts, (b) Buffer layer and Au contacts. 50 nm Au electrode 40 nm Au electrode 40 nm Au electrode 10 nm buffer layer 10 nm buffer layer 50 nm Au electrode CZT CZT (a) (b)
하여 시편을 CH3OH 용액에 담가 표면을 세척한 후 질 소가스를 이용하여 표면에 남아 있는 수분을 건조시켰 다. Table 2 (Ghosh 2009)의 매개 전극물질 (Ag, Al, NI)을 10 nm 두께로 먼저 증착한 후 바로 40 nm 두께로 Au를 증착하는 방식으로 전극을 제작하였고, 기준 전극물질은 Au를 50 nm 두께로 증착하였다 (Fig. 1).
CZT 표면에 증착된 전극에는 50μm 두께의 와이어를
전도성 에폭시를 이용하여 부착하였다. 전극의 특성을 평가하기 위하여 Current-Voltage (I-V) curve 측정 및 방 사선에 대한 반응도 평가를 수행하였다. I-V curve 측정 은 Keithley 6517A electro-meter를 사용하여 측정하였고, 방사선 반응실험은 673 spectroscopy amplifier를 이용하 여 241Am의 알파선과 감마선에 대해서 측정하였다.
결과 및 논의
1. I-V 측정결과 I-V 측정법은 시편에 인가되는 전압이 바뀔 때 전류도 같이 변화하는 것을 이용하는 측정방법으로 반도체 등 의 시편 분석과 전극의 접합상태 분석에도 활용되는 방 법이다. I-V 측정은 각각의 전극 시편에 대해서 -500 V ~++500 V까지 50 V 단위로 전압을 변경시켜 가면서 측 정하였다. 전압을 변경한 후에는 시편 내부의 전류 안정 화를 위하여 매 측정 시 마다 약 3분 정도의 안정화 시 간을 갖은 뒤 측정하였다 (Fig. 2). I-V 측정결과에서 Ag 를 매개물로 사용한 전극은 저항이 증가하는 경향을 보 였으나 Ni를 매개물로 사용한 전극은 저항이 감소하는 경향을 보였다. 기준 전극물질로 사용된 Au의 경우 CZT 와 오믹(ohmic)결합을 하는 것으로 알려져 있다. 이 기준 전극과 가장 유사한 측정결과를 보여준 것은 Al이 매개 물로 사용된 전극이었다. 금속전극의 ohmicity는 다음의 식으로 구할 수 있다 (Salah et al. 2001; Bolotnikov et al. 2003):| I |==a|V |b (1)
여기서 I는 전류, V는 전압, a는 물질 상수 (material constant) 그리고 b는 오믹계수 (ohmicity coefficient)이다. 이상적인 ohmicity는 b의 값이 1에 가장 근접해야 한다. I-V 측정값을 위의 식 (1)에 대입하여 계산한 각각의 전극 물질에 대한 ohmicity는 다음과 같다: Au : I==1.2573×10-11V0.97486 Ag++Au : I==4.4314×10-11V0.72968 Al++Au : I==2.0125×10-11V0.90605 Ni++Au : I==1.7005×10-11V1.06878 위의 ohmicity 계산 결과에서 기준 전극인 Au와 거의 비슷하게 계산된 전극은 Al이 매개물질로 첨가된 Al++Au 전극이다 (Fig. 3). 2. 방사선 반응 평가 방사선 반응도 평가는 241Am에서 방출되는 5.4 MeV의 알파선과 59.5 keV의 감마선을 측정하여 반응도 평가를 수행하였다. 방사선 측정 시 인가 전압이 -400 V인 상태 에서 측정하였다. 일반적으로 CZT 표면에 증착된 Au 전 극이 ohmic 접합 특성을 가지고 있기 때문에 다른 금속 으로 이루어진 전극과 비교하여 가장 좋은 에너지 분해 능을 얻을 수 있다. 제작된 4개의 서로 다른 전극을 가진 CZT 시편으로 방사선을 측정한 결과 Au 전극과 Al++Au -600 -400 -200 0 200 400 600 0.0 4.0×10-9 8.0×10-9 1.2×10-8 Leakage current (A) Bias (V) Au contact Ag+ Au contact Al+ Au contact Ni+ Au contact Au Ag+ Au Al+ Au Ni+ Au 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 Ohmicity coefficient Metal contacts
Fig. 2. The current-voltage characteristics of Au and interface
mate-rial contacts with 3 mm diameter contacts.
전극에서 방사선에 대한 반응이 확인되었다. Ag++Au 전 극에서는 백그라운드 노이즈가 증가하는 현상을 보였고,
Ni++Au 전극에서는 방사선에 대한 유효한 반응을 확인
할 수 없었다 (Fig. 4, Table 3). 이와 같은 결과는 I-V 측
정결과에서 Au 전극과 Al++Au 전극의 측정값이 비슷하 게 측정된 것과 연관이 있다고 생각된다.
결
론
고성능의 방사선 검출기를 제작하는 데 있어 전극의 전기적인 특성과 기계적인 특성은 매우 중요한 요소 중 하나이다. 일반적으로 CZT를 이용한 방사선 검출기를 제작하는 데 있어 Au가 CZT와 ohmic 접합을 이루어 가 장 좋은 분해능을 보이기 때문에 주요 전극물질로 사용 된다. 반도체 표면에 전극을 제작하는 방법은 화학 반응 법, 이온 주입법 그리고 열 증착법이 주로 사용된다. 이 방법들 중에서 열 증착법이 시료의 오염 및 손상 없이 전극을 제작할 수 있는 가장 쉬운 방법이지만 시료와 전극 사이의 결합력이 약한 단점이 있다. 이와 같은 열 증착법의 단점을 극복하기 위하여 Ag, Al, Ni의 서로 다 른 금속을 CZT 시료와 Au 전극 사이에 매개물질로 사 용하여 전극의 결합력을 증가시키는 실험을 수행한 결 과 Al이 매개물로 사용된 Al++Au 전극에서 결합력이 증 가되는 것을 확인하였으며, I-V 측정실험과 방사선 반응 실험에서 기준 전극인 Au 전극과 가장 유사한 경향성을 보였다. 따라서 방사선 검출기를 제작하는 경우에 Al을 매개물질로 사용하여 전극을 제작하는 것이 Au만을 사 용하여 전극을 제작하는 것보다 우수한 내구성을 가질 것으로 판단된다.사
사
본 연구는 교육과학기술부 원자력연구개발사업 지원 으로 수행되었습니다.참 고 문 헌
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0 500 1000 1500 2000
100 200 300
Alpha spectra of 241Am
The number of counts
Channel Au contact Ag+ Au contact Al+Au contact Ni+Au contact (a) 0 100 200 300 400 0 20000 40000 60000 80000 100000 120000
The number of counts
Channel The gamma spectra of 241Am (b)
Au contact Ag+ Au contact Al+Au contact Ni+Au contact
Fig. 4. Energy spectra for 241Am. Bias voltage is negative 400 V and shaping time is 1μsec. (a) is alpha spectra at 75 gain (approximately 5.4 MeV), and (b) is gamma spectra at 750 gain (approximately 59.5 keV).
Table 3. Comparison of 241Am spectrum and I-V measurements of CZT detectors fabricated by different metallic electrode Electrode FWHM at59.5 keV Resistivity(Ω∙cm) Ohmicity(Ideal=1)
Au 24% 2.9×1012 0.974
Ag++Au - 3.4×1012 0.729
Al++Au 34% 7.7×1012 0.906
─ ─ 99 ── Ghosh B. 2009. Electrical contacts for II-VI semiconducting
devices. Microelectron. Eng. 86:21087-2187.
Knoll GF. 2000. Other Solid-State Detectors. In: Radiation De-tection and Measurement. 3rd ed. pp. 457-504. John Wiley & Sons, Inc., New Jersey.
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Manuscript Received: February 23, 2011 Revision Accepted: March 7, 2011
