碲鎘汞光導器件在風云氣象衛星中的應用

喬 輝,王妮麗,賈 嘉,蘭添翼,許金通,楊曉陽,張 燕,李向陽

(中國科學院上海技術物理研究所 中科院紅外成像材料與器件重點實驗室,上海 200083)

1 引 言

以1960年4月1日美國的TIROS-1極軌氣象衛星發射升空為標志,人類社會開始進入氣象觀測的衛星時代[1]。碲鎘汞(Hg1-xCdxTe)光導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星平臺上使用是1972年美國發射的軍事氣象衛星(DMSP)上的OLS(Operational Linescan System)載荷[2]。基于技術后發優勢的原因,我國第一顆氣象衛星風云一號A星上就采用了碲鎘汞光導器件來實現對10.5～12.5 μm波段的探測并取得了良好的探測效果。目前我國在軌業務運行的風云氣象衛星共有八顆,包括風云二號F/G/H星,風云三號C/D/E星以及風云四號A/B星。風云衛星所搭載的有效載荷主要分為掃描輻射計型(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。預研中的下一代氣象衛星將全部采用碲鎘汞陣列焦平面器件(FPA),同時隨著新型紅外探測器的發展[3-4],作為第一代光子型器件的碲鎘汞光導型器件將慢慢退出主流紅外探測的歷史舞臺。本文中我們將結合目前在軌運行的風云系列氣象衛星,對其所應用的碲鎘汞光導型器件的設計、制備工藝選用、測試篩選以及器件性能等進行概述,并對碲鎘汞光導器件的應用前景進行展望。

2 碲鎘汞光導器件的設計過程和制備工藝選用

碲鎘汞光導器件的本質是光敏電阻元件。在針對某一具體型號應用進行碲鎘汞光導器件的設計時,首先需要決定碲鎘汞材料的組分x。為了提高帶內紅外輻射能量的利用率,通常將芯片的響應峰值定到工作波段的后端,然后根據器件的截止波長與峰值波長的經驗關系來確定器件的截止波長,再結合其工作溫度來確定所選用碲鎘汞材料的組分x值。在風云氣象衛星的應用中,依據有效載荷類型的不同,碲鎘汞光導器件有窄帶和寬帶兩種波段應用選擇,掃描輻射計類型光譜成像儀器采用窄帶濾光片進行分光(具體帶寬見表),最終器件的響應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的探測器上,風云三號大氣高光譜探測儀長波探測器的響應光譜由碲鎘汞光導器件確定,而風云四號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行電學參數優選,碲鎘汞光導器件采用N型材料進行制備,需要關注的電學參數包括材料的電阻率、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,選擇標準通常為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范后,需要針對項目任務書要求進行碲鎘汞光導器件的光刻版圖設計和工藝設計,光刻版圖設計涉及對像元尺寸進行定義和不同光刻工藝中間的圖形套準;工藝設計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的確定。這里有幾步工藝需要進行特別關注:(1)材料的拋光工藝,該工藝直接決定了像元的一個關鍵參數—厚度,與碲鎘汞器件的阻值有關,需要根據不同的阻值要求進行厚度的確定;(2)刻蝕工藝,刻蝕工藝直接決定了像元尺寸,需要滿足任務書中對于像元尺寸的要求;(3)增透工藝,碲鎘汞光導器件的對于不同波長紅外輻射的響應不同,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,需要根據需要對特定波段處的紅外輻射進行增透;(4)電極工藝,碲鎘汞器件的偏置電流施加和電學信號引出都是通過電極引線來進行,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計有不同的要求,也會對碲鎘汞材料產生不同的影響,需要綜合考慮來確定最后的引線工藝。

風云衛星應用中碲鎘汞光導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、機械、熱學、電學等多學科內容的考慮[6],在此不再贅述。

3 碲鎘汞光導器件的測試篩選

碲鎘汞光導器件的性能測試主要包括三部分內容,一是器件的阻值,二是器件的響應光譜,三是器件的黑體性能,主要包括響應率、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行以上內容的測試,以對器件性能進行評價。

在進行黑體性能測試時,將杜瓦溫度控制在特定值,先用經過校準的萬用表測試各光敏元的電阻值,然后設定好黑體測試條件,對各光敏元的輸出信號和噪聲進行測試,由計算機進行數據處理。

器件響應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信號,該信號經傅立葉變換后得到器件的相對響應光譜。

4 FY-2H衛星中的碲鎘汞光導器件

風云二號氣象衛星屬于第一代地球同步軌道衛星,采用自旋穩定方案,主要技術方面對標美國的第二代地球同步衛星(GOES-4～GOES-7)。風云二號衛星從1997年至2018年共發射八顆(FY-2A/B/C/D/E/F/G/H),目前在軌業務運行三顆(FY-2F/G/H)。風云二號衛星中的主要載荷為多通道掃描輻射計(A/B試驗星為三通道,其余為五通道)。在地球同步軌道的掃描輻射計的光學系統主光軸垂直于衛星自旋軸,與地球赤道平面平行,星下點指向赤道,利用衛星自旋和望遠鏡步進來實現對地球的二維掃描以獲得地球云圖[7]。

FY-2H多通道掃描輻射計包括一個可見光通道和四個紅外通道,四個紅外通道均采用碲鎘汞光導器件,器件波段和規格如表1所示。

表1 FY-2H掃描輻射計各紅外波段說明

4.1 芯片圖形

FY-2H衛星中掃描輻射計每一個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器件。每個通道所用的雙元碲鎘汞器件圖形如圖1所示。芯片設計和制備中采用了疊層工藝來提高器件的響應率。

圖1 FY-2H掃描輻射計雙元碲鎘汞光導器件

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行測試。表2給出目前在軌運行的FY-2H衛星中搭載的四個波段碲鎘汞光導器件的交付測試性能,測試溫度為98 K。

4.3 響應光譜

衛星紅外遙感應用中需要通過使用紅外探測器得到的信號進行反演計算得到大氣的溫度、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光譜密切相關,光譜定量化是紅外遙感發展的重要方向[8],針對風云衛星的應用,表現在對每個波段紅外探測器的響應光譜形狀都提出了所謂的“套框”要求,即要求探測器的響應光譜需要落在要求的內外框之間。圖2、3、4給出了FY-2H星中所搭載的紅外探測器的響應光譜,同時給出了內外套框要求以進行光譜定量化反演,可以看出,所有的探測器響應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光譜圖形

圖4 10.3～11.3 μm波段雙元探測器的響應光譜圖形

圖5 11.5～12.5 μm波段雙元探測器的響應光譜圖形

5 FY-3E衛星中的碲鎘汞光導器件

風云三號氣象衛星屬于我國繼風云一號之后的第二代極軌氣象衛星,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星,目前在軌業務運行的有FY-3C/D/E三顆衛星,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務氣象衛星。三顆衛星的組網運行使我國成為唯一同時擁有上午、下午和黎明三個軌道極軌氣象衛星組網觀測能力的國家。與風云一號不同的是,FY-3E衛星上除了搭載中分辨率光譜成像儀(MERSI,對標美國的MODIS載荷),還搭載了高光譜大氣探測儀(HIRAS),這兩個載荷都采用了碲鎘汞器件,其中碲鎘汞光導器件相關的波段和器件規格如表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兩個波段的碲鎘汞光導芯片采用了同樣的光刻版圖,10.3～11.3 μm和11.5～12.5 μm兩個波段的光導芯片采用了同樣的光刻版圖。最后制備得到的光導芯片分別如圖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芯片,具體方案是將9個單元芯片排列成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兩個波段十元碲鎘汞光導芯片圖形

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

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行測試,測試時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偏流為2.5 mA,測試溫度為85 K。圖9、圖12和圖15給出各個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波段芯片的噪聲性能;圖11、圖14和圖16給出各個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兩個波段十元碲鎘汞光導芯片阻值

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

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

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

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

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

圖15 高光譜大氣探測儀九元長波碲鎘汞光導芯片阻值

圖16 高光譜大氣探測儀九元長波碲鎘汞光導芯片探測率

圖17 FY-3E衛星中分辨率光譜成像儀用6.95～7.45 μm波段碲鎘汞光導芯片響應光譜

圖18 FY-3E衛星中分辨率光譜成像儀用8.4～8.7 μm波段芯片響應光譜

圖19 FY-3E衛星中分辨率光譜成像儀用10.3～11.3 μm波段芯片響應光譜

5.3 響應光譜

FY-3E星中中分辨率光譜成像儀各個波段的的碲鎘汞探測器光譜同樣有套框要求,圖7～圖20僅僅給出各個波段的探測器響應光譜,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光譜,僅有一前截止濾光片,測試溫度為85 K。

圖20 FY-3E衛星中分辨率光譜成像儀用11.5～12.5 μm波段芯片響應光譜

圖21 FY-3E衛星高光譜大氣探測儀用長波碲鎘汞芯片響應光譜

6 FY-4B衛星中的碲鎘汞光導器件

風云四號衛星是我國第二代地球靜止軌道(GEO)定量遙感氣象衛星,采用三軸穩定控制方案,將接替自旋穩定的風云二號衛星。多通道掃描成像輻射計(AGRI)和大氣垂直探測儀(GIIRS)是風云四號衛星的兩個重要載荷。其中多通道掃描輻射成像計通道由FY-2H星的5個增加為14個,主要技術對標美國和歐洲的第三代地球同步氣象衛星(GOES-R和MTG-I)。大氣垂直探測儀使風云四號衛星在國際上首次實現地球靜止軌道的傅里葉干涉式大氣高光譜垂直探測,并與成像輻射計共平臺,可聯合進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和大氣垂直探測儀兩個載荷都采用了大量碲鎘汞器件,其中與碲鎘汞光導器件相關的波段和器件規格如表4所示。

表4 FY-4B衛星碲鎘汞光導探測器相關波段說明

6.1 芯片圖形

根據系統設計的要求,紅外通道將分為三個組件,即2.1～2.35 μm,3.5～4.0 μm兩個波段為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四個波段為IR3長波四通道組件。其中IR1組件內的芯片為一字型像元結構排列的8元光伏(PV)型探測器(本文不進行講述);IR2和IR3組件內的芯片為一字型排列的4元光導(PC)探測器,如圖22所示。前面已經提到,風云四號衛星上搭載的大氣垂直探測儀是世界上首個在地球同步軌道上運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陣列更是世界上首個在地球同步軌道上使用的同類型探測器,項目研制過程中我們獨創的寶石穿孔工藝(TSV)也使該器件成為迄今為止報道過的陣列規模最大的碲鎘汞光導器件,其芯片照片如圖23所示。

圖22 FY-4B衛星多通道掃描輻射成像計用碲鎘汞光導芯片圖形

圖23 FY-4B衛星大氣垂直探測儀用碲鎘汞光導陣列芯片圖形

6.2 芯片性能

采用第3部分中的測試方案對FY-4B各波段碲鎘汞光導器件進行測試,測試時三個水汽波段器件偏流為3 mA,8.55 μm波段偏流為2 mA,四個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各個波段器件的探測率分布范圍及指標要求,圖25給出各個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像元的探測率性能。

圖24 FY-4B多通道掃描輻射成像計碲鎘汞光導器件的探測率范圍及指標

圖25 FY-4B多通道掃描輻射成像計各個波段器件的阻值范圍及指標

圖26 FY-4B大氣垂直探測儀用甚長波碲鎘汞光導器件的探測率分布

6.3 響應光譜

FY-4B星中多通道掃描輻射成像計各個波段的的碲鎘汞探測器光譜同樣有套框要求,圖27、28給出各個波段的探測器響應光譜,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光譜均在定量化的內外框內。大氣垂直探測儀所用的甚長波碲鎘汞光導器件為寬波段響應光譜(圖29),與FY-3E衛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行了限定。

圖27 FY-4B衛星多通道掃描輻射成像計中三個水汽波段響應光譜

圖28 FY-4B衛星多通道掃描輻射成像計中四個長波紅外波段響應光譜

圖29 FY-4B大氣垂直探測儀用甚長波碲鎘汞光導器件的響應光譜

7 碲鎘汞光導器件的應用前景

由于碲鎘汞光導器件的固有缺點,包括阻值太小導致無法與大規模信號讀出電路進行耦合[10],響應非線性現象比光伏器件更明顯[11],使其逐漸退出衛星紅外遙感的主流應用,但在部分紅外探測領域仍起到關鍵的作用,其中一個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,碲鎘汞甚長波光導探測器由于具有性能高、波段寬、響應速度快以及制備工藝簡單、成品率高等突出優點,成為FTIR儀器設備的關鍵核心器件。根據目前市場上主要FTIR儀器供應商在16 μm波段所采用探測器的調研情況,碲鎘汞甚長波光導器件在FTIR領域仍將有著重要的應用前景。

8 總 結

本文中對碲鎘汞光導器件在我國風云氣象衛星中的應用進行了概括和總結,并給出了目前在軌運行的最新的FY-2H、FY-3E和FY-4B三顆氣象衛星中所搭載的碲鎘汞光導探測器的性能。作為在風云衛星中使用的第一代碲鎘汞器件,其性能達到了國際上同一代探測器的性能水平,為我國風云衛星載荷達到國際上對標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光譜探測領域仍將有重要的應用。

致 謝：

風云衛星上應用的碲鎘汞探測器是幾代技物所人的賡續努力以及多個研究室團結協作的成果,本文中不能一一提及,在此向所有對風云衛星載荷中所用碲鎘汞探測器的研制做出貢獻的前輩和同人表示致敬和感謝!