碲鎘汞光導(dǎo)器件在風(fēng)云氣象衛(wèi)星中的應(yīng)用

喬 輝,王妮麗,賈 嘉,蘭添翼,許金通,楊曉陽,張 燕,李向陽

(中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所 中科院紅外成像材料與器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200083)

1 引 言

以1960年4月1日美國的TIROS-1極軌氣象衛(wèi)星發(fā)射升空為標(biāo)志,人類社會(huì)開始進(jìn)入氣象觀測的衛(wèi)星時(shí)代[1]。碲鎘汞(Hg1-xCdxTe)光導(dǎo)器件作為第一代光子型紅外探測器的代表第一次在氣象衛(wèi)星平臺(tái)上使用是1972年美國發(fā)射的軍事氣象衛(wèi)星(DMSP)上的OLS(Operational Linescan System)載荷[2]。基于技術(shù)后發(fā)優(yōu)勢的原因,我國第一顆氣象衛(wèi)星風(fēng)云一號(hào)A星上就采用了碲鎘汞光導(dǎo)器件來實(shí)現(xiàn)對10.5～12.5 μm波段的探測并取得了良好的探測效果。目前我國在軌業(yè)務(wù)運(yùn)行的風(fēng)云氣象衛(wèi)星共有八顆,包括風(fēng)云二號(hào)F/G/H星,風(fēng)云三號(hào)C/D/E星以及風(fēng)云四號(hào)A/B星。風(fēng)云衛(wèi)星所搭載的有效載荷主要分為掃描輻射計(jì)型(Imager)和大氣垂直探測類型(Sounder),對于紅外波段的探測基本采用碲鎘汞紅外探測器(個(gè)別載荷的短波和中波探測采用InGaAs和InSb器件);從探測器類型來看,前期均為碲鎘汞光導(dǎo)型器件,后期開始部分采用碲鎘汞光伏型器件以及基于光伏型的碲鎘汞焦平面器件。預(yù)研中的下一代氣象衛(wèi)星將全部采用碲鎘汞陣列焦平面器件(FPA),同時(shí)隨著新型紅外探測器的發(fā)展[3-4],作為第一代光子型器件的碲鎘汞光導(dǎo)型器件將慢慢退出主流紅外探測的歷史舞臺(tái)。本文中我們將結(jié)合目前在軌運(yùn)行的風(fēng)云系列氣象衛(wèi)星,對其所應(yīng)用的碲鎘汞光導(dǎo)型器件的設(shè)計(jì)、制備工藝選用、測試篩選以及器件性能等進(jìn)行概述,并對碲鎘汞光導(dǎo)器件的應(yīng)用前景進(jìn)行展望。

2 碲鎘汞光導(dǎo)器件的設(shè)計(jì)過程和制備工藝選用

碲鎘汞光導(dǎo)器件的本質(zhì)是光敏電阻元件。在針對某一具體型號(hào)應(yīng)用進(jìn)行碲鎘汞光導(dǎo)器件的設(shè)計(jì)時(shí),首先需要決定碲鎘汞材料的組分x。為了提高帶內(nèi)紅外輻射能量的利用率,通常將芯片的響應(yīng)峰值定到工作波段的后端,然后根據(jù)器件的截止波長與峰值波長的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系來確定器件的截止波長,再結(jié)合其工作溫度來確定所選用碲鎘汞材料的組分x值。在風(fēng)云氣象衛(wèi)星的應(yīng)用中,依據(jù)有效載荷類型的不同,碲鎘汞光導(dǎo)器件有窄帶和寬帶兩種波段應(yīng)用選擇,掃描輻射計(jì)類型光譜成像儀器采用窄帶濾光片進(jìn)行分光(具體帶寬見表),最終器件的響應(yīng)光譜形狀完全由窄帶濾光片決定;大氣垂直探測類型儀器采用傅里葉變換進(jìn)行干涉式分光,然后采用反射/透射模式分色片將中波和長波紅外輻射分離后入射到相應(yīng)的探測器上,風(fēng)云三號(hào)大氣高光譜探測儀長波探測器的響應(yīng)光譜由碲鎘汞光導(dǎo)器件確定,而風(fēng)云四號(hào)大氣垂直探測儀長波探測器中又附加了一前截止濾光片來對前截止波長進(jìn)行了限制。

確定了碲鎘汞材料的鎘組分x之后,需要針對該組分的材料進(jìn)行電學(xué)參數(shù)優(yōu)選,碲鎘汞光導(dǎo)器件采用N型材料進(jìn)行制備,需要關(guān)注的電學(xué)參數(shù)包括材料的電阻率、霍爾載流子濃度和霍爾遷移率[5]。對于組分x小于0.225的長波碲鎘汞材料,選擇標(biāo)準(zhǔn)通常為77 K下電子濃度小于5×1014cm-3,霍爾遷移率大于1×105cm2V-1s-1,電阻率大于0.1 Ω·cm。

確定好碲鎘汞材料的選片規(guī)范后,需要針對項(xiàng)目任務(wù)書要求進(jìn)行碲鎘汞光導(dǎo)器件的光刻版圖設(shè)計(jì)和工藝設(shè)計(jì),光刻版圖設(shè)計(jì)涉及對像元尺寸進(jìn)行定義和不同光刻工藝中間的圖形套準(zhǔn);工藝設(shè)計(jì)涉及不同制備工藝之間的銜接和兼容以及每一步工藝參數(shù)的確定。這里有幾步工藝需要進(jìn)行特別關(guān)注:(1)材料的拋光工藝,該工藝直接決定了像元的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)—厚度,與碲鎘汞器件的阻值有關(guān),需要根據(jù)不同的阻值要求進(jìn)行厚度的確定;(2)刻蝕工藝,刻蝕工藝直接決定了像元尺寸,需要滿足任務(wù)書中對于像元尺寸的要求;(3)增透工藝,碲鎘汞光導(dǎo)器件的對于不同波長紅外輻射的響應(yīng)不同,反映了碲鎘汞材料與紅外輻射之間的反射、透射和吸收等物理過程,需要根據(jù)需要對特定波段處的紅外輻射進(jìn)行增透;(4)電極工藝,碲鎘汞器件的偏置電流施加和電學(xué)信號(hào)引出都是通過電極引線來進(jìn)行,常見的電極引線工藝包括銦焊、楔焊和球焊等。不同的工藝對版圖設(shè)計(jì)有不同的要求,也會(huì)對碲鎘汞材料產(chǎn)生不同的影響,需要綜合考慮來確定最后的引線工藝。

風(fēng)云衛(wèi)星應(yīng)用中碲鎘汞光導(dǎo)器件的封裝主要包括金屬管殼封裝和金屬杜瓦封裝,涉及光學(xué)、機(jī)械、熱學(xué)、電學(xué)等多學(xué)科內(nèi)容的考慮[6],在此不再贅述。

3 碲鎘汞光導(dǎo)器件的測試篩選

碲鎘汞光導(dǎo)器件的性能測試主要包括三部分內(nèi)容,一是器件的阻值,二是器件的響應(yīng)光譜,三是器件的黑體性能,主要包括響應(yīng)率、噪聲和探測率。在器件的篩選過程中以及封裝后的組件測試中需要進(jìn)行以上內(nèi)容的測試,以對器件性能進(jìn)行評價(jià)。

在進(jìn)行黑體性能測試時(shí),將杜瓦溫度控制在特定值,先用經(jīng)過校準(zhǔn)的萬用表測試各光敏元的電阻值,然后設(shè)定好黑體測試條件,對各光敏元的輸出信號(hào)和噪聲進(jìn)行測試,由計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

器件響應(yīng)光譜測試采用傅立葉變換光譜儀。干涉光源從傅立葉光譜儀引出后入射到探測器光敏元上,直接得到探測器的相對響應(yīng)信號(hào),該信號(hào)經(jīng)傅立葉變換后得到器件的相對響應(yīng)光譜。

4 FY-2H衛(wèi)星中的碲鎘汞光導(dǎo)器件

風(fēng)云二號(hào)氣象衛(wèi)星屬于第一代地球同步軌道衛(wèi)星,采用自旋穩(wěn)定方案,主要技術(shù)方面對標(biāo)美國的第二代地球同步衛(wèi)星(GOES-4～GOES-7)。風(fēng)云二號(hào)衛(wèi)星從1997年至2018年共發(fā)射八顆(FY-2A/B/C/D/E/F/G/H),目前在軌業(yè)務(wù)運(yùn)行三顆(FY-2F/G/H)。風(fēng)云二號(hào)衛(wèi)星中的主要載荷為多通道掃描輻射計(jì)(A/B試驗(yàn)星為三通道,其余為五通道)。在地球同步軌道的掃描輻射計(jì)的光學(xué)系統(tǒng)主光軸垂直于衛(wèi)星自旋軸,與地球赤道平面平行,星下點(diǎn)指向赤道,利用衛(wèi)星自旋和望遠(yuǎn)鏡步進(jìn)來實(shí)現(xiàn)對地球的二維掃描以獲得地球云圖[7]。

FY-2H多通道掃描輻射計(jì)包括一個(gè)可見光通道和四個(gè)紅外通道,四個(gè)紅外通道均采用碲鎘汞光導(dǎo)器件,器件波段和規(guī)格如表1所示。

表1 FY-2H掃描輻射計(jì)各紅外波段說明

4.1 芯片圖形

FY-2H衛(wèi)星中掃描輻射計(jì)每一個(gè)紅外波段采用雙元探測器,其中一元為備份,載荷中共有八元碲鎘汞光導(dǎo)器件。每個(gè)通道所用的雙元碲鎘汞器件圖形如圖1所示。芯片設(shè)計(jì)和制備中采用了疊層工藝來提高器件的響應(yīng)率。

圖1 FY-2H掃描輻射計(jì)雙元碲鎘汞光導(dǎo)器件

4.2 芯片性能

采用第3部分中給出的測試方法對器件的性能進(jìn)行測試。表2給出目前在軌運(yùn)行的FY-2H衛(wèi)星中搭載的四個(gè)波段碲鎘汞光導(dǎo)器件的交付測試性能,測試溫度為98 K。

4.3 響應(yīng)光譜

衛(wèi)星紅外遙感應(yīng)用中需要通過使用紅外探測器得到的信號(hào)進(jìn)行反演計(jì)算得到大氣的溫度、濕度以及地球表面溫度等信息。這些信息獲取的精度與紅外探測器的響應(yīng)光譜密切相關(guān),光譜定量化是紅外遙感發(fā)展的重要方向[8],針對風(fēng)云衛(wèi)星的應(yīng)用,表現(xiàn)在對每個(gè)波段紅外探測器的響應(yīng)光譜形狀都提出了所謂的“套框”要求,即要求探測器的響應(yīng)光譜需要落在要求的內(nèi)外框之間。圖2、3、4給出了FY-2H星中所搭載的紅外探測器的響應(yīng)光譜,同時(shí)給出了內(nèi)外套框要求以進(jìn)行光譜定量化反演,可以看出,所有的探測器響應(yīng)光譜都滿足光譜定量化要求。

圖2 3.5～4.0 μm波段雙元探測器的響應(yīng)光譜圖形 Fig.2 Responsive spectra of dual-pixel detector of 3.5～4.0 μm

圖3 6.3～7.6 μm波段雙元探測器的響應(yīng)光譜圖形

圖4 10.3～11.3 μm波段雙元探測器的響應(yīng)光譜圖形

圖5 11.5～12.5 μm波段雙元探測器的響應(yīng)光譜圖形

5 FY-3E衛(wèi)星中的碲鎘汞光導(dǎo)器件

風(fēng)云三號(hào)氣象衛(wèi)星屬于我國繼風(fēng)云一號(hào)之后的第二代極軌氣象衛(wèi)星,由于其軌道面與太陽夾角保持不變,又稱為太陽同步軌道衛(wèi)星,目前在軌業(yè)務(wù)運(yùn)行的有FY-3C/D/E三顆衛(wèi)星,其中FY-3C為上午星,FY-3D為下午星,FY-3E為晨昏星,也是全球首顆民用黎明軌道業(yè)務(wù)氣象衛(wèi)星。三顆衛(wèi)星的組網(wǎng)運(yùn)行使我國成為唯一同時(shí)擁有上午、下午和黎明三個(gè)軌道極軌氣象衛(wèi)星組網(wǎng)觀測能力的國家。與風(fēng)云一號(hào)不同的是,FY-3E衛(wèi)星上除了搭載中分辨率光譜成像儀(MERSI,對標(biāo)美國的MODIS載荷),還搭載了高光譜大氣探測儀(HIRAS),這兩個(gè)載荷都采用了碲鎘汞器件,其中碲鎘汞光導(dǎo)器件相關(guān)的波段和器件規(guī)格如表3所示。

5.1 芯片圖形

FY-3E星中分辨率光譜成像儀中6.95～7.45 μm和8.4～8.7 μm兩個(gè)波段的碲鎘汞光導(dǎo)芯片采用了同樣的光刻版圖,10.3～11.3 μm和11.5～12.5 μm兩個(gè)波段的光導(dǎo)芯片采用了同樣的光刻版圖。最后制備得到的光導(dǎo)芯片分別如圖6和圖7所示。高光譜大氣探測儀中長波通道采用了碲鎘汞光導(dǎo)芯片,具體方案是將9個(gè)單元芯片排列成3×3陣列。單元芯片的圖形如圖8所示。

圖6 中分辨率光譜成像儀中6.95～7.45 μm和8.4～8.7 μm兩個(gè)波段十元碲鎘汞光導(dǎo)芯片圖形

圖7 中分辨率光譜成像儀中10.3～11.3 μm和11.5～12.5 μm兩個(gè)波段四十元碲鎘汞光導(dǎo)芯片圖形

圖8 高光譜大氣探測儀長波單元芯片

5.2 芯片性能

采用第3部分中的測試方案對各波段器件進(jìn)行測試,測試時(shí)7.2 μm波段偏流為1.7 mA,8.55 μm波段偏流為2 mA,10.8 μm波段偏流為4 mA,12 μm波段偏流為5 mA,測試溫度均為100 K;高光譜大氣探測儀長波碲鎘汞器件測試時(shí)偏流為2.5 mA,測試溫度為85 K。圖9、圖12和圖15給出各個(gè)波段器件各像元阻值;圖10和圖13給出中分辨率光譜成像儀四個(gè)波段芯片的噪聲性能;圖11、圖14和圖16給出各個(gè)波段器件的探測率性能。

圖9 中分辨率光譜成像儀中6.95～7.45 μm和8.4～8.7 μm兩個(gè)波段十元碲鎘汞光導(dǎo)芯片阻值

圖10 中分辨率光譜成像儀中6.95～7.45 μm和8.4～8.7 μm兩個(gè)波段十元碲鎘汞光導(dǎo)芯片噪聲

圖11 中分辨率光譜成像儀中6.95～7.45 μm和8.4～8.7 μm兩個(gè)波段十元碲鎘汞光導(dǎo)芯片探測率

圖12 中分辨率光譜成像儀中10.3～11.3 μm和11.5～12.5 μm兩個(gè)波段四十元碲鎘汞光導(dǎo)芯片阻值

圖13 中分辨率光譜成像儀中10.3～11.3 μm和11.5～12.5 μm兩個(gè)波段四十元碲鎘汞光導(dǎo)芯片噪聲

圖14 中分辨率光譜成像儀中10.3～11.3 μm和11.5～12.5 μm兩個(gè)波段四十元碲鎘汞光導(dǎo)芯片探測率

圖15 高光譜大氣探測儀九元長波碲鎘汞光導(dǎo)芯片阻值

圖16 高光譜大氣探測儀九元長波碲鎘汞光導(dǎo)芯片探測率

圖17 FY-3E衛(wèi)星中分辨率光譜成像儀用6.95～7.45 μm波段碲鎘汞光導(dǎo)芯片響應(yīng)光譜

圖18 FY-3E衛(wèi)星中分辨率光譜成像儀用8.4～8.7 μm波段芯片響應(yīng)光譜

圖19 FY-3E衛(wèi)星中分辨率光譜成像儀用10.3～11.3 μm波段芯片響應(yīng)光譜

5.3 響應(yīng)光譜

FY-3E星中中分辨率光譜成像儀各個(gè)波段的的碲鎘汞探測器光譜同樣有套框要求,圖7～圖20僅僅給出各個(gè)波段的探測器響應(yīng)光譜,各波段芯片測試溫度為100 K。高光譜大氣探測儀器件為寬波段響應(yīng)光譜,僅有一前截止濾光片,測試溫度為85 K。

圖20 FY-3E衛(wèi)星中分辨率光譜成像儀用11.5～12.5 μm波段芯片響應(yīng)光譜

圖21 FY-3E衛(wèi)星高光譜大氣探測儀用長波碲鎘汞芯片響應(yīng)光譜

6 FY-4B衛(wèi)星中的碲鎘汞光導(dǎo)器件

風(fēng)云四號(hào)衛(wèi)星是我國第二代地球靜止軌道(GEO)定量遙感氣象衛(wèi)星,采用三軸穩(wěn)定控制方案,將接替自旋穩(wěn)定的風(fēng)云二號(hào)衛(wèi)星。多通道掃描成像輻射計(jì)(AGRI)和大氣垂直探測儀(GIIRS)是風(fēng)云四號(hào)衛(wèi)星的兩個(gè)重要載荷。其中多通道掃描輻射成像計(jì)通道由FY-2H星的5個(gè)增加為14個(gè),主要技術(shù)對標(biāo)美國和歐洲的第三代地球同步氣象衛(wèi)星(GOES-R和MTG-I)。大氣垂直探測儀使風(fēng)云四號(hào)衛(wèi)星在國際上首次實(shí)現(xiàn)地球靜止軌道的傅里葉干涉式大氣高光譜垂直探測,并與成像輻射計(jì)共平臺(tái),可聯(lián)合進(jìn)行大氣多通道成像觀測和高光譜垂直探測[9]。多通道掃描輻射成像計(jì)和大氣垂直探測儀兩個(gè)載荷都采用了大量碲鎘汞器件,其中與碲鎘汞光導(dǎo)器件相關(guān)的波段和器件規(guī)格如表4所示。

表4 FY-4B衛(wèi)星碲鎘汞光導(dǎo)探測器相關(guān)波段說明

6.1 芯片圖形

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求,紅外通道將分為三個(gè)組件,即2.1～2.35 μm,3.5～4.0 μm兩個(gè)波段為IR1中短波雙通道組件;5.8～6.7 μm、6.75～7.15 μm、7.24～7.6 μm三個(gè)波段為IR2水汽三通道組件;8.3～8.8 μm、10.3～11.3 μm、11.5～12.5 μm和13.0～13.6 μm四個(gè)波段為IR3長波四通道組件。其中IR1組件內(nèi)的芯片為一字型像元結(jié)構(gòu)排列的8元光伏(PV)型探測器(本文不進(jìn)行講述);IR2和IR3組件內(nèi)的芯片為一字型排列的4元光導(dǎo)(PC)探測器,如圖22所示。前面已經(jīng)提到,風(fēng)云四號(hào)衛(wèi)星上搭載的大氣垂直探測儀是世界上首個(gè)在地球同步軌道上運(yùn)行的傅里葉干涉式大氣高光譜垂直探測載荷,其上搭載的甚長波碲鎘汞光導(dǎo)陣列更是世界上首個(gè)在地球同步軌道上使用的同類型探測器,項(xiàng)目研制過程中我們獨(dú)創(chuàng)的寶石穿孔工藝(TSV)也使該器件成為迄今為止報(bào)道過的陣列規(guī)模最大的碲鎘汞光導(dǎo)器件,其芯片照片如圖23所示。

圖22 FY-4B衛(wèi)星多通道掃描輻射成像計(jì)用碲鎘汞光導(dǎo)芯片圖形

圖23 FY-4B衛(wèi)星大氣垂直探測儀用碲鎘汞光導(dǎo)陣列芯片圖形

6.2 芯片性能

采用第3部分中的測試方案對FY-4B各波段碲鎘汞光導(dǎo)器件進(jìn)行測試,測試時(shí)三個(gè)水汽波段器件偏流為3 mA,8.55 μm波段偏流為2 mA,四個(gè)長波波段器件偏流為4 mA,測試溫度均為88 K。大氣垂直探測儀甚長波碲鎘汞器件測試時(shí)偏流為4 mA,測試溫度為65 K。圖24給出多通道掃描輻射成像計(jì)各個(gè)波段器件的探測率分布范圍及指標(biāo)要求,圖25給出各個(gè)波段芯片的電阻阻值范圍;圖26給出大氣垂直探測儀甚長波器件各個(gè)像元的探測率性能。

圖24 FY-4B多通道掃描輻射成像計(jì)碲鎘汞光導(dǎo)器件的探測率范圍及指標(biāo)

圖25 FY-4B多通道掃描輻射成像計(jì)各個(gè)波段器件的阻值范圍及指標(biāo)

圖26 FY-4B大氣垂直探測儀用甚長波碲鎘汞光導(dǎo)器件的探測率分布

6.3 響應(yīng)光譜

FY-4B星中多通道掃描輻射成像計(jì)各個(gè)波段的的碲鎘汞探測器光譜同樣有套框要求,圖27、28給出各個(gè)波段的探測器響應(yīng)光譜,各波段芯片測試溫度為88 K,從圖中可以看出各通道的響應(yīng)光譜均在定量化的內(nèi)外框內(nèi)。大氣垂直探測儀所用的甚長波碲鎘汞光導(dǎo)器件為寬波段響應(yīng)光譜(圖29),與FY-3E衛(wèi)星中的大氣高光譜探測儀類似,該探測器也采用了前截止濾光片對前截止波長進(jìn)行了限定。

圖27 FY-4B衛(wèi)星多通道掃描輻射成像計(jì)中三個(gè)水汽波段響應(yīng)光譜

圖28 FY-4B衛(wèi)星多通道掃描輻射成像計(jì)中四個(gè)長波紅外波段響應(yīng)光譜

圖29 FY-4B大氣垂直探測儀用甚長波碲鎘汞光導(dǎo)器件的響應(yīng)光譜

7 碲鎘汞光導(dǎo)器件的應(yīng)用前景

由于碲鎘汞光導(dǎo)器件的固有缺點(diǎn),包括阻值太小導(dǎo)致無法與大規(guī)模信號(hào)讀出電路進(jìn)行耦合[10],響應(yīng)非線性現(xiàn)象比光伏器件更明顯[11],使其逐漸退出衛(wèi)星紅外遙感的主流應(yīng)用,但在部分紅外探測領(lǐng)域仍起到關(guān)鍵的作用,其中一個(gè)重要方向是基于傅里葉紅外變換(FTIR)的定量化紅外光譜探測,尤其是波長大于16 μm的甚長波紅外波段,碲鎘汞甚長波光導(dǎo)探測器由于具有性能高、波段寬、響應(yīng)速度快以及制備工藝簡單、成品率高等突出優(yōu)點(diǎn),成為FTIR儀器設(shè)備的關(guān)鍵核心器件。根據(jù)目前市場上主要FTIR儀器供應(yīng)商在16 μm波段所采用探測器的調(diào)研情況,碲鎘汞甚長波光導(dǎo)器件在FTIR領(lǐng)域仍將有著重要的應(yīng)用前景。

8 總 結(jié)

本文中對碲鎘汞光導(dǎo)器件在我國風(fēng)云氣象衛(wèi)星中的應(yīng)用進(jìn)行了概括和總結(jié),并給出了目前在軌運(yùn)行的最新的FY-2H、FY-3E和FY-4B三顆氣象衛(wèi)星中所搭載的碲鎘汞光導(dǎo)探測器的性能。作為在風(fēng)云衛(wèi)星中使用的第一代碲鎘汞器件,其性能達(dá)到了國際上同一代探測器的性能水平,為我國風(fēng)云衛(wèi)星載荷達(dá)到國際上對標(biāo)的航天器性能水平立下了汗馬功勞。由于碲鎘汞甚長波光導(dǎo)器件探測性能高以及制備工藝成熟,在甚長波紅外FTIR光譜探測領(lǐng)域仍將有重要的應(yīng)用。

致 謝：

風(fēng)云衛(wèi)星上應(yīng)用的碲鎘汞探測器是幾代技物所人的賡續(xù)努力以及多個(gè)研究室團(tuán)結(jié)協(xié)作的成果,本文中不能一一提及,在此向所有對風(fēng)云衛(wèi)星載荷中所用碲鎘汞探測器的研制做出貢獻(xiàn)的前輩和同人表示致敬和感謝!