大气环境监测卫星宽幅成像仪高性能碲镉汞红外探测芯片

乔 辉，王妮丽，杨晓阳，郭 强，蒯文林，徐国庆，张冬冬，李向阳

（1.中国科学院上海技术物理研究所，上海 200083；2.上海航天技术研究院，上海 201109；3.上海卫星工程研究所，上海 201109）

0 引言

2022 年4 月16 日，我国首颗大气环境监测卫星成功发射，该卫星上搭载了大气探测激光雷达、高精度偏振扫描仪、多角度偏振成像仪、紫外高光谱大气成分探测仪和宽幅光谱成像仪等5 台仪器。由于该卫星为太阳同步轨道卫星，可以在全球范围内对PM2.5等细颗粒物污染监测，二氧化氮、二氧化硫、臭氧等污染气体以及二氧化碳柱浓度进行监测。卫星上配置的宽幅成像仪载荷可以进行大范围内全球数据动态高精度测量，包括云层覆盖的变化、地球能量辐射变化、海洋陆地以及低空变化过程。宽幅成像仪中共设置了8 个红外波段，均采用碲镉汞红外探测器，包括光导型和光伏型。本文第1 部分对宽幅成像仪中所采用的碲镉汞红外探测器芯片进行了详细介绍；第2 部分从碲镉汞材料、碲镉汞器件工艺以及信号读出方式等对各波段红外探测器的设计进行了介绍；第3 部分中对碲镉汞红外探测器的测试方法和在轨运行器件的性能进行了介绍；第4 部分是本文的总结。

1 碲镉汞红外探测器的设计

1.1 碲镉汞材料组分的选择

碲镉汞材料（Hg1-xCdxTe）可以视作是由半金属材料HgTe 和半导体材料CdTe 以组分x配比形成的三元系化合物半导体材料［1］。碲镉汞材料的禁带宽度由组分x决定，通过改变x值可以调节材料的禁带宽度，从而改变对应探测器的截止波长。在针对型号应用进行碲镉汞器件的设计时，首先需要决定碲镉汞材料的组分x，为了提高带内红外辐射能量的利用率，通常将芯片的响应峰值定到工作波段的后端；然后根据器件的截止波长与峰值波长的经验关系来确定器件的截止波长；最后结合其工作温度来确定所选用碲镉汞材料的组分x值。

碲镉汞材料的禁带宽度Eg已经有多个经验公式，这里采用CXT 公式［2］如下：

式中：T为绝对温度，eV。

根据材料的禁带宽度可计算得到材料吸收的截止波长如下：

需要指出的是，由式（1）和式（2）计算得到的截止波长为响应降到峰值50%处的波长（以下若无特别说明，截止波长均指50%截止波长）。根据统计经验，对于大于8 μm 的长波红外，由于碲镉汞材料带边能级和组分均匀性的影响，其截止波长比峰值波长约长10%［3］；对于中短波红外，可以忽略带边影响和组分均匀性影响，认为峰值波长和截止波长相同。

宽幅成像仪中3 个组件中各波段碲镉汞红外探测器所选用碲镉汞材料的x组分见表1，表中同时给出了各红外波段的波段代号和波段范围。

表1 WSI 8 个红外波段碲镉汞器件的组分xTab.1 x values of Hg1-xCdxTe selected for the eightchannel infrared detectors of WSI

1.2 碲镉汞材料的生长

碲镉汞材料的生长采用碲作熔剂的移动加热器法（Travelling Heater Method，THM）［4］。首先在百级净化环境中将碲、镉、汞3 种元素，按照表1 中的比例分别进行称量，然后混合装入石英安瓿中进行高温合成，为使3 种元素的混合尽量均匀，合成过程中采用摇摆式合成，即将加热炉以固定的频率进行摆动，摇摆合成结束后，在加热炉中通入氮气进行冷却形成多晶锭。将该多晶锭放入新的石英安瓿中进行移动加热法晶体生长，加热炉和石英安瓿的相对运动速率约为3 mm/d。为了降低生长过程的汞压，采用了以液态碲作溶剂的富碲生长工艺，既降低了生长温度和汞压，也降低了生长界面的温度梯度，使生长界面更加平坦，减少晶片的径向组分梯度。同时由于分凝作用，碲熔区对于碲镉汞也起到了杂质提纯作用，降低了材料中的杂质浓度，有利于提高材料的少子寿命。晶体生长结束后，将生长好的锭条从石英安瓿中取出采用多丝线切割工艺进行切片，晶片的厚度为1 mm，直径为10～15 mm，切片后需要通过磨抛工艺以去除切片过程中造成的损伤，然后利用密度测试方法来计算得到碲镉汞晶片的组分x值，并根据组分选择相应的低温热处理工艺来消除材料中的汞空位浓度，最后利用范德堡法霍尔测试对碲镉汞材料的电学参数进行表征测试，选择合适组分和电学参数的碲镉汞晶片进行芯片制备。项目中光伏型碲镉汞器件采用P 型碲镉汞材料进行制备，光导型碲镉汞器件采用N 型碲镉汞材料进行制备，N 型和P 型碲镉汞材料的制备工艺流程如图1 和图2 所示。

图1 N 型碲镉汞材料工艺过程Fig.1 Fabrication process of the N type HgCdTe material

图2 P 型碲镉汞材料工艺过程Fig.2 Fabrication process of the P type HgCdTe material

1.3 碲镉汞探测器工艺的选择

宽幅成像仪中的碲镉汞器件包括光伏型［5］和光导型［6］，其中S0、S1、S2 和MV 4 个波段为光伏型器件，其余4 个波段为光导型器件。碲镉汞光伏器件的物理本质是一PN 结，这里采用的是N-on-P 型平面结结构，通过在P 型碲镉汞材料中进行硼离子注入来形成PN 结。其基本结构如图3 所示。

图3 N-on-P 型平面结结构Fig.3 Diagram of the N-on-P type planar junction structure

在体晶材料碲镉汞光伏器件制备中，一个关键参数是厚度的选择，为了降低背面表面复合速率的影响，采用的是厚基底结构，即P 型碲镉汞材料的厚度大概为100 μm。短波碲镉汞光伏器件的芯片设计版图如图4 所示，中波碲镉汞光伏器件的设计版如图5 所示。

图4 短波碲镉汞光伏芯片版图设计Fig.4 Layout of the SW HgCdTe photovoltaic detectors

图5 中波碲镉汞光伏芯片版图设计Fig.5 Layout of the MW HgCdTe photovoltaic detectors

短波和中波碲镉汞光伏器件的工艺过程基本相同，只有在离子注入成结工艺中进行了区分，短波器件的离子注入能量100 keV，而中波器件的离子注入能量是150 keV。光伏器件的具体工艺过程如图6 所示。制备得到的15 元短波和中波碲镉汞光伏芯片如图7 所示。

图6 碲镉汞光伏芯片的制造过程Fig.6 Fabrication process of the HgCdTe photovoltaic detectors

图7 碲镉汞光伏芯片照片Fig.7 Photographs of the fabricated HgCdTe photovoltaic detectors

碲镉汞光导器件的物理本质是一光敏电阻，基本结构如图8 中所示。图中给出了2 种结构的光导器件［7］，结构图8（b）是常规结构，结构图8（c）中为了提高器件电阻，在光敏面上采用了开槽结构，使其阻值增加到无槽结构的（N+1）2倍（N为开槽数目）。项目中，长波光导器件采用的是结构图8（b），中波光导器件采用的是结构图8（c）。

图8 碲镉汞光导器件结构Fig.8 Schematic diagram of a HgCdTe photoconductive detector

碲镉汞光导器件的一个关键参数为材料厚度。碲镉汞光导器件厚度选择的原则是对入射红外辐射尽量吸收，根据碲镉汞材料对不同红外辐射的吸收系数可以确定不同波段器件的材料厚度，中波光导器件的厚度选择8～12 μm，长波器件的厚度选择13～16 μm。薄的碲镉汞材料在工艺操作中极易碎裂，因此需要将其固定在较厚的衬底上。器件制备前需要先将碲镉汞材料与衬底材料（通常为蓝宝石）先用环氧胶通过压片工艺粘贴到一起，环氧胶的厚度通常小于1 um（从导热的角度环氧胶的厚度越薄越好，但压片压强过大容易裂片）。利用抛光工艺将碲镉汞材料抛光至需要的厚度，然后进行光导器件的制备。

中波和长波碲镉汞光导器件的芯片设计版图，分别如图9 和图10 所示。碲镉汞光导器件的制备工艺过程如图11 所示。制备得到的中波M1C、M2C 和长波碲镉汞光导芯片照片如图12 所示。

图9 中波MC1 和MC2 波段碲镉汞光导芯片设计版图Fig.9 Layout of the HgCdTe photoconductive detectors in the MC1 and MC2 channels

图10 长波L1 和L2 波段碲镉汞光导芯片设计版图Fig.10 Layout of the HgCdTe photoconductive detectors in the L1 and L2 channels

图11 碲镉汞光导芯片的制造过程Fig.11 Fabrication process of the HgCdTe photoconductive detectors

图12 碲镉汞光导芯片照片Fig.12 Photographs of the fabricated HgCdTe photoconductive detectors

1.4 碲镉汞探测器信号的读出方式[8]

项目中光伏器件的响应信号采用了CMOS 低温集成电子学读出方式［9］，而光导器件采用的是热电子学读出［10］。短波碲镉汞光伏器件的响应信号通过电容反馈积分放大（Capacitive Feedback Integration Amplification，CTIA）方式读出，如图13（a）所示，S0 和S1 波段积分电容Ci为0.9 pF，S2 波段的积分电容Ci为0.6 pF；中波碲镉汞光伏器件的响应信号通过电阻反馈放大（Resistance Feedback Amplification，RTIA）方式读出，如图13（b）所示，其反馈电阻R为15 MΩ；图13 中Vref为输入端参考电压。2 种低温电路均采用标准0.5 μm CMOS 工艺制造而成。短波和中波的碲镉汞光伏芯片与低温电子学电路置于同一蓝宝石电极板上，中间通过引线键合方式进行互联，其结构如图13 所示。

图13 碲镉汞光伏器件的信号读出方式Fig.13 Signal readout modes of the HgCdTe photovoltaic detectors

碲镉汞光导芯片由于阻值太小，无法直接与CMOS 低温集成电子学电路进行互联，而是通过引线将信号引到探测器组件外与室温热电子学进行连接。

宽幅成像仪中各波段碲镉汞探测器的设计方案的归纳见表2。

表2 宽幅成像仪中各波段碲镉汞探测器的设计方案Tab.2 Design schemes of the HgCdTe detectors for WSI

2 碲镉汞探测器性能测试方法与结果

2.1 碲镉汞光伏器件的测试方法

碲镉汞光伏器件的性能测试主要包括3 部分内容：1）器件的电流—电压曲线；2）器件的响应光谱；3）器件的响应率、噪声和探测率以及像元之间的电串音。器件的电流-电压曲线利用类似Keithley236 的源表进行测试，在芯片两端施加一变化的电压，然后测试通过芯片的电流，对于碲镉汞光伏器件，两端施加的变化电压范围通常为-0.5～0.5 V。器件的响应光谱通常采用傅里叶变换红外（FTIR）光谱仪来进行测试，干涉光源从傅里叶光谱仪引出后入射到探测器像元上，利用采样保持得到干涉信号，干涉信号经放大后返回到光谱仪主机，然后经傅里叶变换得到器件的响应光谱图，测试原理如图14 所示。

图14 碲镉汞光伏器件FTIR 光谱测试图Fig.14 Diagram of the FTIR spectrum measurement by the HgCdTe photovoltaic detectors

通过该光谱图可以得到器件响应的峰值波长、截止波长以及峰值响应G因子（即峰值响应率与黑体响应率的比值）［11］。

器件的响应率通常采用黑体测试得到［12］，测试在一定条件下入射黑体产生的响应信号，然后除以计算得到的黑体入射功率即可得到器件的黑体响应率。同样条件下对黑体信号进行遮挡后可以测量得到器件的噪声，然后结合黑体响应率计算可得到器件的黑体探测率。再结合响应光谱测试结果可以计算得到器件的光谱探测率。光伏器件的黑体响应率和探测率的测试原理如图15 所示，对于短波器件黑体温度取900 K，对于中波器件黑体温度取500 K。调制盘调制频率取1 000 Hz，噪声测试带宽取100 Hz。

图15 碲镉汞光伏器件的信号和噪声测试原理Fig.15 Diagram of the signal and noise measurement by the HgCdTe photovoltaic detectors

2.1 碲镉汞光导器件的测试方法

碲镉汞光导器件的性能测试同样包括3 部分内容：1）器件的阻值；2）器件的响应光谱；3）器件的响应率、噪声和探测率以及像元之间的电串音。器件的阻值通常采用高精度万用表来直接读数测量。光导器件的响应光谱测试与光伏器件基本相同，主要差别在于光导器件需要增加一偏流源以给光导器件施加偏置电流，如图16 所示。

图16 碲镉汞光导器件FTIR 光谱测试图Fig.16 Diagram of the FTIR spectrum measurement by the HgCdTe photoconductors

与光伏器件类似，光导器件的响应率通常也是采用黑体测试得到，测试在一定条件下入射黑体产生的响应信号，然后除以计算得到的黑体入射功率即可得到器件的黑体响应率。根据碲镉汞器件阻值较小的特点，通常对其采用电流源恒定偏置电流测试方法，器件接收到红外辐射信号后电阻会发生变化，继而引起两端电压的变化，通过对这一变化电压的测量可以得到器件的响应信号。由于器件的阻值变化很小（通常为原阻值的十万分之几），对这一电压信号的测量必须采用交流方法，即对入射黑体辐射进行一定频率的调制，然后采用锁相放大器对同样频率的电压信号进行测量。同样条件下，对黑体信号进行遮挡后可以测量得到器件的噪声，整个测试过程原理如图17 所示。调制盘调制频率取1 000 Hz，噪声测试带宽取100 Hz。

图17 碲镉汞光导器件的信号和噪声测试原理图Fig.17 Diagram of the signal and noise measurement by the HgCdTe photoconductive detectors

相邻像元之间的电串音需要进行测试，测试方法是对一个像元施加一个1 mA 的交流信号，然后测相邻元的信号大小，两者相比得到两个像元之间的电串音。

2.2 宽幅成像仪各波段碲镉汞芯片性能

各波段碲镉汞器件根据以上测试方法在芯片研制过程完成后对其性能进行了测试，均能满足项目任务书指标要求。以下仅给出器件的响应光谱和探测率性能。短波组件三波段碲镉汞光伏探测器的响应光谱和探测率性能如图18 和图19 所示。中波组件三波段探测器的响应光谱和探测率性能如图20、图21 和图22 所示。中长波组件两波段光导探测器的响应光谱和探测率性能如图23 和图24 所示。

图18 短波组件三波段碲镉汞光伏探测器的响应光谱Fig.18 Responsive spectra of the SW HgCdTe photovoltaic detectors

图19 短波组件三波段碲镉汞光伏探测器组件的探测率Fig.19 Detectivity of the SW HgCdTe photovoltaic detectors

图20 中波组件三波段碲镉汞探测器的响应光谱Fig.20 Responsive spectra of the MW HgCdTe photovoltaic detectors

图21 中波组件MV 波段碲镉汞光伏探测器的探测率Fig.21 Detectivity of the MV HgCdTe photovoltaic detectors

图22 中波组件MC1 和MC2 波段碲镉汞光导探测器的探测率Fig.22 Detectivity of the MW HgCdTe photoconductive detectors

图23 长波组件两波段碲镉汞光导探测器的响应光谱Fig.23 Responsive spectra of the LW HgCdTe photovoltaic detectors

图24 长波组件L1 和L2 波段碲镉汞光导探测器的探测率Fig.24 Detectivity of the LW HgCdTe photoconductive detectors

3 DQ-1 WSI 碲镉汞芯片性能与国外相似类型航天载荷芯片性能对比

WSI 载荷的碲镉汞红外探测器技术继承自风云系列气象卫星［13］［14］，与WSI 载荷在功能和探测波段方面有相似性的国外航天载荷包括美国的MODIS［15］、VIIRS［16］、GOES［17］以及其他相关载荷［18］，其中MODIS 和VIRRS 所采用的碲镉汞红外波段探测器由美国Raytheon 公司（前身为Santa Barbara Research Center，SBRC）提供［19］，GOES 所采用的碲镉汞红外探测器由BAE 公司（前身为Loral Infrared &Imaging Systems，Lockheed Martin IR Imaging Systems）提供。由于有的载荷碲镉汞器件资料几乎没有公开报道，下面首先对文献中报道过的与WSI 载荷类似波段碲镉汞器件的性能进行归纳，然后将其与WSI载荷中碲镉汞器件的性能进行对比。

3.1 国外相关载荷碲镉汞芯片性能

对于碲镉汞光伏芯片来说，影响探测率性能的主要参数为量子效率和R0A因子（即零偏电阻R0与结区面积A的乘积）。表3 中分别给出了文献中查到的国外部分载荷短波碲镉汞芯片的主要性能。

表3 国外相关载荷短波碲镉汞光伏芯片性能Tab.3 Performance of abroad SW HgCdTe photovoltaic detectors

文献［23］为SBRC 为某项目研制的中波碲镉汞芯片性能，其截止波长为4.5 μm，工作温度为80 K，文中提到芯片探测率优于1×1012cm·Hz1/2·W-1；WSI 中7.325 波段和8.55 波段采用了光导型碲镉汞芯片，而MODIS 和VIIRS 载荷这两个波段均采用光伏型碲镉汞芯片，芯片性能没有公开报道。GOESI-M 卫星中有类似的工作波段［24］，采用的是碲镉汞光导型芯片，工作温度为105 K，其探测率为1×1011cm·Hz1/2·W-1。对于长波波段，MODIS 和WSI 均采用了光导型碲镉汞芯片，少许透露了MODIS 长波碲镉汞芯片的性能［25］，其探测率可以达到1×1011cm·Hz1/2·W-1。

3.2 WSI 与国外类似载荷碲镉汞芯片探测率性能对比

WSI 各个波段的碲镉汞芯片与国外载荷型号类似波段碲镉汞芯片的探测率性能对比，见表4。

表4 WSI 与国外类似载荷碲镉汞芯片探测率对比Tab.4 Comparison of the detectivity of WSI HgCdTe detectors with that of abroad similar ones

由表可知，WSI 各个波段碲镉汞芯片探测率性能与国外载荷类似波段所用的碲镉汞芯片基本相当，对于长波光导芯片，考MODIS 长波器件的工作温度为85 K，而WSI 的工作温度为100 K，两者的探测能力也基本相当。

4 结束语

自从2022 年4 月16 日首颗大气环境监测卫星发射升空至今，宽幅成像仪载荷（WSI）已经成功开机在轨运行并得到了高精度红外遥感数据，达到了仪器的设计目标，其中作为载荷眼睛的红外探测器起到了不可或缺的重要作用，经过与国外类似型号碲镉汞芯片进行比较，探测器的主要性能与国外相当。本文中针对载荷所采用的碲镉汞红外探测器芯片从探测器设计到探测器性能测试进行了介绍。作为一项航天工程任务，其最终成功需要各方面的协调配合，缺一不可。WSI 红外探测器的组件研制涉及探测器芯片、低温电子学电路以及与组件封装有关的光学透镜、滤光片、管壳等，最后完成集成组装。当组件封装完成以后，还需要进行一系列可靠性试验工作。本文中对于这些相关内容不能一一罗列，在此对参与相关研制工作的同志一并表示感谢。