Realization methods of hyperpure germanium detectors with pulsed laser junction

I rivelatori al germanio iperpuro (rivelatori HPGe) sono diodi ottimizzati per il funzionamento ad elevate tensioni di polarizzazione inversa che trovano applicazione spettroscopia gamma ad alta risoluzione. Tali rivelatori sono realizzati a partire da cristalli di germanio iperpuri con concentrazione di impurezze dell'ordine di 10^{10} atomi/cm^3. A partire da questo cristallo iperpuro, il diodo viene processato drogando una delle facce con un alta concentrazione di impurezze sostitutive di tipo opposto al cristallo per ottenere una giunzione, e l'altra faccia con un'alta concentrazione di impurità dello stesso tipo del cristallo. Ci sono molte ragioni per cui il germanio è il miglior materiale per spettroscopia gamma e tra i principali, sicuramente spiccano il suo alto coefficiente di assorbimento dovuto al numero atomico maggiore del silicio, la sua elevata mobilità che va a vantaggio della riscossione soprattutto per rivelatori di grande volume; queste caratteristiche convergono in un'ottima risoluzione energetica e una buona risoluzione temporale nell'intervallo di energia rilevante per la spettroscopia gamma. L'attuale stato dell'arte è ben rappresentato da AGATA e GRETA che sono prendendo il posto dell'EUROBALL e dello spettrometro Gammasphere. I vantaggi precedenti degli array di rivelatori al germanio come AGATA e GRETA derivano dalla possibilità di analizzare la forma dell'impulso (teorema di Shockley - Ramo) confrontando la carica netta e quella indotta, consentendo l'identificazione del punto di interazione sotto il volume del segmento e quindi il tracciamento dei percorsi dei raggi all'interno dell'array, attraverso lo sviluppo di algoritmi specifici. In questa tesi viene presentato un recente metodo di drogaggio che consente la costruzione di giunzioni superficiali mediante drogaggio con fusione laser a impulsi (PLM) tecnica; tale giunzione ha il vantaggio di essere facilmente segmentata e non contamina in profondità il cristallo iperpuro, permettendogli di essere eventualmente riprocessato. Il mio lavoro in LNL ha toccato varie aree dello sviluppo e del caratterizzazione di rivelatori HPGe segmentati a grande volume. In particolare, vari rivelatori planari sono stati sviluppati per testare i nuovi processi in quanto sono molto facili da trattare grazie alla loro semplice geometria. Presenterò quindi le procedure e i risultati di varie ottimizzazioni che riguardano la costruzione e caratterizzazione mediante risultati di misure elettriche. Dopo un breve ripasso teorico, la presentazione della metodologia PLM per doping e la descrizione dei principali dispositivi di misura nel primo capitolo, I passerò a una breve e dettagliata descrizione della fabbricazione di un diodo planare HPGe nel secondo capitolo; Nel terzo capitolo mi occuperò specificamente di vari aspetti riguardanti la elaborazione della giunzione e delle varie ottimizzazioni testate; in particolare mi concentrerò sul problema dei contaminanti che si depositano sul cristallo durante il processo di fabbricazione influendo negativamente sulle prestazioni del diodo; sono stati testati nuovi metodi per un controllo e una rimozione efficaci della contaminazione. Infine, nell'ultimo capitolo descriverò le ottimizzazioni applicate mediante caratterizzazioni elettriche e presenterò modi efficaci per misurare particolari grandezze su rivelatori segmentati. ENGLISH VERSION DISSERTATION TITLE: Realization methods of hyperpure germanium detectors with pulsed laser junction KEY WORDS :HPGe, Semiconductor, Pulse laser melting, Detector ABSTRACT: The hyperpure germanium detectors (HPGe detectors) are diodes optimized for operation at high reverse polarization voltages that find application in high resolution gamma-ray spectroscopy. Such detectors are manufactured starting from hyperpure germanium crystals with impurity concentration of the order of 10 ^10 atoms/cm ^ 3 . The diode is processed by doping one of the faces with a high concentration of substitutional impurities of the opposite type to the crystal to obtain a rectifier contact and the other face with a high concentration of impurities of the same type of the crystal. There are many reasons why Germanium is the best material for gamma spectroscopy and among the main ones, certainly stand out its high absorption coefficient due to the atomic number larger than silicon, its high mobility which is to the advantage of the charge collection especially for large volume detectors; these characteristics converge in excellent energy resolution. The current state of the art is well represented by AGATA and GRETA who are taking the place of the EUROBALL and the Gammasphere spectrometer. The unprecedented advantages of germanium detector arrays such as AGATA and GRETA derive from the possibility of analyzing the pulse shape (Shockley – Ramo theorem) by comparing net and induced charge, allowing the identification of the point of interaction at the volume of the segment and therefore the tracking of the paths of the rays inside the array, through the development of specific algorithms. In this dissertation a recent doping method is presented that allows the construction of shallow junctions through doping with the pulse laser melting (PLM) technique; such a junction has the advantage of being easily segmented, and does not contaminate the hyper-pure crystal in depth, allowing it to be eventually reprocessed. My work at LNL has touched various areas of the development and characterization of segmented large volume HPGe detectors. In particular, various planar detectors have been developed to test the new processes as they are very easy to treat thanks to their simple geometry. I will therefore present the procedures and the results of various optimizations of techniques that concern the construction and characterization through results of electrical measurements. After a brief theoretical review, the presentation of the PLM methodology for doping and the description of the main measuring devices in the first chapter, I will move on to a brief and detailed description of the diode manifacturing starting from a planar crystal in the second chapter; In the third chapter I will deal specifically with various aspects concerning the processing of the rectifying contact and the various optimizations tested; in particular I will focus on the problem of contaminants depositing on the crystal during the manufacturing process that negatively affecting the performance of the diode; new methods have been tested for effective control and removal of contamination. Finally, in the last chapter I will describe the applied optimizations by means of electrical characterizations and I will present efficient ways to measure particular quantities on segmented detectors.