Funkční vzorek optimalizovaného CdTe/CZT senzoru

Kód výsledku v IS VaVaI

<a href="https://www.isvavai.cz/riv?ss=detail&h=RIV%2F01732731%3A_____%2F25%3AN0000002" target="_blank" >RIV/01732731:_____/25:N0000002 - isvavai.cz</a>

Výsledek na webu

<a href="https://advacam.com/projekty/vysledky/2025FVZ002/" target="_blank" >https://advacam.com/projekty/vysledky/2025FVZ002/</a>

DOI - Digital Object Identifier

—

Jazyk výsledku

čeština

Název v původním jazyce

Funkční vzorek optimalizovaného CdTe/CZT senzoru

Popis výsledku v původním jazyce

Výsledek je zaměřen na potlačení polarizačních jevů a zvýšení dlouhodobé obrazové stability hybridních polovodičových detektorů záření na bázi CdTe/CdZnTe. Tyto senzory vykazují při dlouhodobém provozu degradaci odezvy způsobenou akumulací prostorového náboje, deformací vnitřního elektrického pole a změnou transportních vlastností nosičů náboje. Tento výsledek zahrnoval dlouhodobé testování nových bias padů za různých teplot s cílem urychlené degradace materiálu, popř. zjistit důvod pro vznik klastrů pixelů, stabilizovat elektrické pole v objemu senzoru, snížit obrazové artefakty související s polarizací, vyvinout hardwarové a softwarové metody stabilizace senzoru a ověřit jejich účinnost. Funkční vzorek představuje optimalizovaný CdTe/CdZnTe senzor určený pro zobrazovací aplikace. Základní charakteristiky: • Materiál: CdTe/CdZnTe • Typ anody: injekční / blokující (testovány obě varianty) • Tloušťka senzoru: 1 mm Součástí optimalizace konstrukce senzoru bylo také nahrazení původně používaného uhlíkového vodivého lepidla uhlíkovou vodivou páskou (Mouser Electronics) pro realizaci elektrického kontaktu. Tato změna byla provedena s cílem: • zvýšit reprodukovatelnost a homogenitu kontaktu, • snížit sériový přechodový odpor, • omezit dlouhodobé změny kontaktu způsobené stárnutím lepidla, • zjednodušit montáž a servisní zásahy. Použití uhlíkové pásky vedlo ke stabilnějším elektrickým podmínkám na rozhraní Al pad–senzor (Pt vrstva) a bylo prokázáno, že během dlouhodobého provozu nevznikají pod uhlíkovou páskou klastry nefunkčních pixelů. V rámci testování vodivostní homogenity uhlíkové pásky bylo zjištěno, že Al pad by měl mít poloměr minimálně 2 mm, aby byl zajištěn stabilní přívod biasu. Hardwarové metody Pulzování biasem. Periodické krátkodobé změny přiloženého napětí vedoucí k odstranění zachycených nábojů z pastí a redukci prostorového náboje. Byly testovány různé tvary pulzu biasu. Nejúčinnější variantou se ukázal pulz, jehož principem je jednoduché přerušení biasu na nulu a jeho následné obnovení na provozní hodnotu (-350 V). Testování pomocí vybraného napěťového pulzu má dva možné směry: Dosáhnout co nejstabilnějšího obrázku. Dosáhnout co nejrychlejšího pulzu, který dává za daných podmínek co nejstabilnější obrázek. V případě prvního bodu bylo zjištěno, že při použití bias pulzu s délku depolarizační doby s nulovým biasem 50 ms, s 10 ms čekacím časem a 190 ms akvizicí obrázku dojde ke zlepšení obrazové stability o faktor 8,3. Při zaměření se na co nejkratší pulz se jako nejvhodnější ukázal pulz biasu o krátké délce depolarizační doby s nulovým biasem 4 ms, s čekací dobou 0,5 ms a akvizicí 190 ms, který vedl ke zlepšení obrazové stability o faktor 5,35. Celková doba trvání pulzování biasem, zahrnující vlastní pulz a čekací dobu, činí 5 ms, přičemž expoziční čas je prodloužen o tuto hodnotu před každým snímkem nebo před sekvencí snímků. Řízené přisvěcování LED diodami. V rámci experimentů byly testovány CdTe senzory se dvěma typy anodových struktur – s injekční anodou a s blokující anodou, aby bylo možné porovnat vliv typu kontaktu na stabilizační mechanismy a odezvu na optické přisvěcování. Výsledky ukázaly, že optimální stabilizační režim závisí na charakteru anodového kontaktu. U senzorů s injekční anodou se jako nejúčinnější metoda stabilizace projevilo boční přisvěcování podgapovým zářením (záření projde senzorovou hranou až přes celou plochu senzoru) o vlnové délce 980 nm, které vedlo k efektivní kompenzaci prostorového náboje a stabilizaci rozložení elektrického pole v objemu detektoru. Tento režim současně přispíval ke zlepšení dlouhodobé obrazové stability. Naopak u senzorů s blokující anodou vykazovalo z fyzikálního hlediska nejvyšší účinnost přímé nadgapové osvětlení anody, které podporuje generaci volných nosičů náboje a efektivní obnovení elektrického pole v blízkosti kontaktu. Vzhledem k omezené přístupnosti anody v reálném detektorovém modulu však byla jako prakticky realizovatelná alternativa ověřena metoda bočního podgapového přisvěcování, zejména v oblasti vlnových délek kolem 904 nm. Softwarové metody Implementace algoritmů adaptivní flat-field (AFF) korekce do uživatelského softwaru (Výsledek 2). Metoda využívá funkci adaptivní flat-field korekce, která pro každý pixel vybírá a aplikuje nejvhodnější korekci z databáze předem naměřených flat-field obrazů. AFF korekce kompenzuje reziduální změny odezvy na úrovni obrazu V případě CdZnTe senzoru s tloušťkou 2 mm bylo prokázano jednoznačné vylepšení obrazu a odstranění šumících hran při provozování detektoru za vysokého napětí o hodnotě –900 V a se zvýšenou hodnotou rychlosti vybíjecího proudu tzv. Ikrum 90. Byl realizován funkční vzorek optimalizovaného CdTe/CdZnTe senzoru s novými bias pady a s postupně implementovanými metodami stabilizace. Vyzkoušené hardwarové a softwarové přístupy vedou k prokazatelnému potlačení polarizace a zlepšení dlouhodobé stability. Výsledek je připraven pro integraci do nového řádkového detektoru s CdTe/CdZnTe senzorem (V7), kde bude vyzkoušena kombinace hardwarových a softwarových přístupů.

Název v anglickém jazyce

A functional prototype of an optimized CdTe/CZT sensor.

Popis výsledku anglicky

The result is focused on suppressing polarization effects and increasing the long-term imaging stability of hybrid semiconductor radiation detectors based on CdTe/CdZnTe. These sensors exhibit response degradation during long-term operation due to the accumulation of space charge, deformation of the internal electric field, and changes in charge carrier transport properties. This result included long-term testing of new bias pads at various temperatures with the aim of accelerating material degradation, identifying the causes of pixel cluster formation, stabilizing the electric field within the sensor volume, reducing polarization-related image artifacts, developing hardware and software stabilization methods, and verifying their effectiveness. The functional prototype represents an optimized CdTe/CdZnTe sensor intended for imaging applications. Basic characteristics: • Material: CdTe/CdZnTe • Anode type: injecting / blocking (both variants tested) • Sensor thickness: 1 mm As part of the sensor design optimization, the originally used carbon conductive adhesive was replaced with carbon conductive tape (Mouser Electronics) to establish the electrical contact. This change was implemented to: • increase contact reproducibility and homogeneity, • reduce series contact resistance, • limit long-term contact changes caused by adhesive aging, • simplify assembly and servicing. The use of carbon tape led to more stable electrical conditions at the Al pad–sensor interface (Pt layer), and it was demonstrated that no clusters of non-functional pixels form under the carbon tape during long-term operation. Within testing of the conductivity homogeneity of the carbon tape, it was found that the Al pad should have a minimum radius of 2 mm to ensure stable bias supply. Hardware methods Bias pulsing. Periodic short-term changes of the applied voltage leading to the removal of trapped charges from traps and reduction of space charge. Various shapes of bias pulses were tested. The most effective variant proved to be a pulse based on simply interrupting the bias to zero and subsequently restoring it to the operating value (–350 V). Testing using the selected voltage pulse has two possible directions: • Achieve the most stable image possible. • Achieve the fastest possible pulse that provides the most stable image under given conditions. For the first case, it was found that using a bias pulse with a depolarization time of 50 ms at zero bias, a waiting time of 10 ms, and an image acquisition time of 190 ms results in an improvement of image stability by a factor of 8.3. When focusing on the shortest possible pulse, the most suitable was a bias pulse with a short depolarization time of 4 ms at zero bias, a waiting time of 0.5 ms, and acquisition of 190 ms, leading to an improvement in image stability by a factor of 5.35. The total duration of the bias pulsing, including the pulse itself and the waiting time, is 5 ms, while the exposure time is extended by this value before each frame or frame sequence. Controlled illumination with LEDs. Within the experiments, CdTe sensors with two types of anode structures—injecting and blocking—were tested to compare the influence of contact type on stabilization mechanisms and response to optical illumination. The results showed that the optimal stabilization regime depends on the nature of the anode contact. For sensors with an injecting anode, the most effective stabilization method was lateral illumination with sub-bandgap radiation (radiation entering through the sensor edge and propagating across the entire sensor area) with a wavelength of 980 nm, which led to effective compensation of space charge and stabilization of the electric field distribution within the detector volume. This regime also contributed to improved long-term image stability. In contrast, for sensors with a blocking anode, from a physical standpoint the most effective method was direct above-bandgap illumination of the anode, which promotes the generation of free charge carriers and efficient restoration of the electric field near the contact. However, due to limited access to the anode in a real detector module, lateral sub-bandgap illumination was verified as a practically feasible alternative, especially in the wavelength region around 904 nm. Software methods Implementation of adaptive flat-field (AFF) correction algorithms into user software (Result 2). The method uses adaptive flat-field correction, which selects and applies the most suitable correction for each pixel from a database of pre-measured flat-field images. AFF correction compensates for residual response variations at the image level. For a CdZnTe sensor with a thickness of 2 mm, a clear improvement in image quality and removal of noisy edges was demonstrated when operating the detector at a high voltage of –900 V and with an increased value of the discharge current rate (so-called Ikrum 90). A functional prototype of an optimized CdTe/CdZnTe sensor with new bias pads and progressively implemented stabilization methods has been developed. The tested hardware and software approaches demonstrably suppress polarization and improve long-term stability. The result is ready for integration into a new line detector with a CdTe/CdZnTe sensor (V7), where a combination of hardware and software approaches will be tested.

Druh

G_funk - Funkční vzorek

CEP obor

—

OECD FORD obor

20201 - Electrical and electronic engineering

Projekt

<a href="/cs/project/FW10010210" target="_blank" >FW10010210: XiChip - Čipy sensorů a technologie pro rentgenové zobrazování</a><br>

Návaznosti

P - Projekt vyzkumu a vyvoje financovany z verejnych zdroju (s odkazem do CEP)

Rok uplatnění

2025

Kód důvěrnosti údajů

S - Úplné a pravdivé údaje o projektu nepodléhají ochraně podle zvláštních právních předpisů

Interní identifikační kód produktu

2025FVZ002

Číselná identifikace

G

Technické parametry

viz. Popis výsledku v původním jazyce výsledku

Ekonomické parametry

Plánovaný výrobek (vícečipový zobrazovací detektor) splní vysoké nároky průmyslu na zobrazovací detektor, a to jak z hlediska robustnosti hardwaru, tak z hlediska uživatelské vstřícnosti softwarového rozhraní, resp. integrace do nadřazené softwarové architektury. Parametry výrobku jsou v souladu s porozuměním potřeb budoucích zákazníků (především OEM) a aplikací u jejich koncových klientů (především NDT a kontrola kvality).

Kategorie aplik. výsledku dle nákladů

—

IČO vlastníka výsledku

01732731

Název vlastníka

ADVACAM s.r.o.

Stát vlastníka

CZ - Česká republika

Druh možnosti využití

A - K využití výsledku jiným subjektem je vždy nutné nabytí licence

Požadavek na licenční poplatek

A - Poskytovatel licence na výsledek požaduje licenční poplatek

Adresa www stránky s výsledkem

https://advacam.com/projekty/vysledky/2025FVZ002/