두께가 큰 CZT 검출기의 누설 전류와 정전용량 분석

초록

본 논문은 0.5 cm 두께의 CZT 검출기를 대상으로, 단일 음극과 8×8 픽셀 양극 배열을 갖는 구조에서 누설 전류와 정전용량을 측정·계산하였다. NCI ASIC을 이용한 읽기 노이즈 추정과 픽셀‑픽셀·픽셀‑음극 간 전기적 결합에 의한 추가 노이즈 영향을 논의한다.

상세 분석

이 연구는 최신 CZT 검출기의 전기적 특성이 에너지 해상도에 미치는 영향을 정량적으로 규명하고자 한다. 2 cm × 2 cm 면적에 0.5 cm 두께를 갖는 CZT 웨이퍼를 사용하고, 전체 음극을 금속으로 일체화한 뒤 8 × 8 배열의 픽셀 양극을 각각 0.2 mm 간격으로 배치하였다. 누설 전류는 온도 20 °C에서 0 V~−1000 V까지 전압을 가하며 전류-전압(I‑V) 특성을 측정했으며, 전압이 800 V에 이를 때 평균 누설 전류는 0.5 nA/pixel 수준으로 매우 낮았다. 정전용량은 LCR 미터를 이용해 픽셀‑음극 간 및 픽셀‑픽셀 간 커플링을 각각 0.1 pF~0.3 pF 범위로 측정하였다. 이러한 값들을 바탕으로 Brookhaven National Laboratory의 NCI ASIC(입력 전압 노이즈 ≈ 1 µV/√Hz, 입력 전류 노이즈 ≈ 0.5 pA/√Hz)을 적용해 총 읽기 노이즈를 계산하면, 누설 전류에 의한 전류 노이즈는 전체 노이즈의 약 5 %에 불과하고, 정전용량에 의한 전압 노이즈가 주된 기여를 한다는 결과가 도출되었다. 또한, 픽셀‑픽셀 및 픽셀‑음극 간 정전용량 결합이 인접 픽셀에 전압 변동을 유도해 상호 간섭을 일으킬 수 있음을 시뮬레이션으로 확인하였다. 이 결합 효과는 특히 고전압(>800 V)에서 두드러지며, ASIC의 채널 간 크로스토크(crosstalk)를 증가시켜 에너지 해상도를 저하시킬 위험이 있다. 따라서 설계 단계에서 픽셀 간 거리 최적화와 전극 패턴의 전기적 차폐가 필요함을 강조한다.