Characterization and application of black silicon drift detector to X-ray measurements

Abstract

Silicon drift detectors (SDD) have been used for spectroscopy applications such as X-ray radiation detection for decades. ElFys Oy manufactured two types of SDDs for a project with European Space Agency (ESA). Some of the SDDs had induced junction formed by alumina (Al2O3) with black silicon (b-Si) surface. The others had traditional boron implanted junction with a planar surface. The detailed manufacturing methods of these SDDs are not covered in this thesis. The detectors were characterized by three different measurements: external quantum efficiency (EQE), current-voltage (IV), and X-ray measurements with a Fe-55 radiation source. This thesis examines how well the manufactured SDDs detect X-ray radiation and compares the performance of two different surfaces. The EQE of b-Si reached over 100 % in the UV range and was otherwise very close to 100 %. The EQE of planar SDD reached 80 % at the best. IV measurements showed that the leakage current of SDDs with both surfaces was very low, less than 10 pA at -20 °C. When determining the energy resolution with the Fe-55 radiation source, the FWHM value of 221 eV was achieved. The X-ray radiation measurements of the manufactured SDDs indicated high performance considering large area of the SDDs. Apart from EQE, it is not possible to say which of the manufactured detectors performed better, b-Si or planar.

Silicon drift detector (SDD) -ilmaisimia on käytetty spektroskopiasovelluksissa, kuten röntgensäteilyn havaitsemisessa vuosikymmeniä. ElFys Oy valmisti kahden tyyppisiä SDD-ilmaisimia Euroopan avaruusjärjestön (ESA) kanssa toteutettuun projektiin. Osalla SDD-ilmaisimista oli alumiinioksidin (Al2O3) muodostama indusoitu liitos musta pii (b-Si) pinnan kanssa. Muilla oli perinteinen boori-istutettu liitos tasomaisen pinnan kanssa. Näiden SDD-ilmaisimien yksityiskohtaisia valmistusmenetelmiä ei käsitellä tässä diplomityössä. Ilmaisimia karakterisoitiin kolmella eri mittauksella: ulkoinen kvanttitehokkuus (EQE), virta-jännite (IV) ja röntgenmittaukset Fe-55 säteilylähteellä. Tässä diplomityössä selvitetään, kuinka hyvin valmistetut SDD-ilmaisimet havaitsevat röntgensäteilyä ja vertaillaan kahden eri pinnan suorituskykyä. Musta piin EQE oli UV-alueella yli 100 % ja muuten hyvin lähellä 100 %. Tasomaisen SDD-ilmaisimen EQE oli parhaimmillaan 80 %. IV-mittaukset osoittivat, että kummankin eri pinnoilla valmistetun SDD-ilmaisimen vuotovirta oli hyvin alhainen, alle 10 pA -20 °C:ssa. Määritettäessä energiaresoluutiota Fe-55 säteilylähteellä, saavutettiin FWHM:n arvoksi 221 eV. Valmistettujen SDD-ilmaisimien röntgensäteilymittaukset osoittivat korkeaa suorityskykyä ottaen huomioon SDD-ilmaisimen suuri pinta-ala. EQE:ta lukuun ottamatta ei ole mahdollista sanoa, kumpi SDD-ilmaisimista suoriutui paremmin, b-Si vai tasomainen.