碲镉汞光导器件在风云气象卫星中的应用

乔 辉,王妮丽,贾 嘉,兰添翼,许金通,杨晓阳,张 燕,李向阳

(中国科学院上海技术物理研究所 中科院红外成像材料与器件重点实验室,上海 200083)

1 引 言

以1960年4月1日美国的TIROS-1极轨气象卫星发射升空为标志,人类社会开始进入气象观测的卫星时代[1]。碲镉汞(Hg1-xCdxTe)光导器件作为第一代光子型红外探测器的代表第一次在气象卫星平台上使用是1972年美国发射的军事气象卫星(DMSP)上的OLS(Operational Linescan System)载荷[2]。基于技术后发优势的原因,我国第一颗气象卫星风云一号A星上就采用了碲镉汞光导器件来实现对10.5～12.5 μm波段的探测并取得了良好的探测效果。目前我国在轨业务运行的风云气象卫星共有八颗,包括风云二号F/G/H星,风云三号C/D/E星以及风云四号A/B星。风云卫星所搭载的有效载荷主要分为扫描辐射计型(Imager)和大气垂直探测类型(Sounder),对于红外波段的探测基本采用碲镉汞红外探测器(个别载荷的短波和中波探测采用InGaAs和InSb器件);从探测器类型来看,前期均为碲镉汞光导型器件,后期开始部分采用碲镉汞光伏型器件以及基于光伏型的碲镉汞焦平面器件。预研中的下一代气象卫星将全部采用碲镉汞阵列焦平面器件(FPA),同时随着新型红外探测器的发展[3-4],作为第一代光子型器件的碲镉汞光导型器件将慢慢退出主流红外探测的历史舞台。本文中我们将结合目前在轨运行的风云系列气象卫星,对其所应用的碲镉汞光导型器件的设计、制备工艺选用、测试筛选以及器件性能等进行概述,并对碲镉汞光导器件的应用前景进行展望。

2 碲镉汞光导器件的设计过程和制备工艺选用

碲镉汞光导器件的本质是光敏电阻元件。在针对某一具体型号应用进行碲镉汞光导器件的设计时,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,再结合其工作温度来确定所选用碲镉汞材料的组分x值。在风云气象卫星的应用中,依据有效载荷类型的不同,碲镉汞光导器件有窄带和宽带两种波段应用选择,扫描辐射计类型光谱成像仪器采用窄带滤光片进行分光(具体带宽见表),最终器件的响应光谱形状完全由窄带滤光片决定;大气垂直探测类型仪器采用傅里叶变换进行干涉式分光,然后采用反射/透射模式分色片将中波和长波红外辐射分离后入射到相应的探测器上,风云三号大气高光谱探测仪长波探测器的响应光谱由碲镉汞光导器件确定,而风云四号大气垂直探测仪长波探测器中又附加了一前截止滤光片来对前截止波长进行了限制。

确定了碲镉汞材料的镉组分x之后,需要针对该组分的材料进行电学参数优选,碲镉汞光导器件采用N型材料进行制备,需要关注的电学参数包括材料的电阻率、霍尔载流子浓度和霍尔迁移率[5]。对于组分x小于0.225的长波碲镉汞材料,选择标准通常为77 K下电子浓度小于5×1014cm-3,霍尔迁移率大于1×105cm2V-1s-1,电阻率大于0.1 Ω·cm。

确定好碲镉汞材料的选片规范后,需要针对项目任务书要求进行碲镉汞光导器件的光刻版图设计和工艺设计,光刻版图设计涉及对像元尺寸进行定义和不同光刻工艺中间的图形套准;工艺设计涉及不同制备工艺之间的衔接和兼容以及每一步工艺参数的确定。这里有几步工艺需要进行特别关注:(1)材料的抛光工艺,该工艺直接决定了像元的一个关键参数—厚度,与碲镉汞器件的阻值有关,需要根据不同的阻值要求进行厚度的确定;(2)刻蚀工艺,刻蚀工艺直接决定了像元尺寸,需要满足任务书中对于像元尺寸的要求;(3)增透工艺,碲镉汞光导器件的对于不同波长红外辐射的响应不同,反映了碲镉汞材料与红外辐射之间的反射、透射和吸收等物理过程,需要根据需要对特定波段处的红外辐射进行增透;(4)电极工艺,碲镉汞器件的偏置电流施加和电学信号引出都是通过电极引线来进行,常见的电极引线工艺包括铟焊、楔焊和球焊等。不同的工艺对版图设计有不同的要求,也会对碲镉汞材料产生不同的影响,需要综合考虑来确定最后的引线工艺。

风云卫星应用中碲镉汞光导器件的封装主要包括金属管壳封装和金属杜瓦封装,涉及光学、机械、热学、电学等多学科内容的考虑[6],在此不再赘述。

3 碲镉汞光导器件的测试筛选

碲镉汞光导器件的性能测试主要包括三部分内容,一是器件的阻值,二是器件的响应光谱,三是器件的黑体性能,主要包括响应率、噪声和探测率。在器件的筛选过程中以及封装后的组件测试中需要进行以上内容的测试,以对器件性能进行评价。

在进行黑体性能测试时,将杜瓦温度控制在特定值,先用经过校准的万用表测试各光敏元的电阻值,然后设定好黑体测试条件,对各光敏元的输出信号和噪声进行测试,由计算机进行数据处理。

器件响应光谱测试采用傅立叶变换光谱仪。干涉光源从傅立叶光谱仪引出后入射到探测器光敏元上,直接得到探测器的相对响应信号,该信号经傅立叶变换后得到器件的相对响应光谱。

4 FY-2H卫星中的碲镉汞光导器件

风云二号气象卫星属于第一代地球同步轨道卫星,采用自旋稳定方案,主要技术方面对标美国的第二代地球同步卫星(GOES-4～GOES-7)。风云二号卫星从1997年至2018年共发射八颗(FY-2A/B/C/D/E/F/G/H),目前在轨业务运行三颗(FY-2F/G/H)。风云二号卫星中的主要载荷为多通道扫描辐射计(A/B试验星为三通道,其余为五通道)。在地球同步轨道的扫描辐射计的光学系统主光轴垂直于卫星自旋轴,与地球赤道平面平行,星下点指向赤道,利用卫星自旋和望远镜步进来实现对地球的二维扫描以获得地球云图[7]。

FY-2H多通道扫描辐射计包括一个可见光通道和四个红外通道,四个红外通道均采用碲镉汞光导器件,器件波段和规格如表1所示。

表1 FY-2H扫描辐射计各红外波段说明

4.1 芯片图形

FY-2H卫星中扫描辐射计每一个红外波段采用双元探测器,其中一元为备份,载荷中共有八元碲镉汞光导器件。每个通道所用的双元碲镉汞器件图形如图1所示。芯片设计和制备中采用了叠层工艺来提高器件的响应率。

图1 FY-2H扫描辐射计双元碲镉汞光导器件

4.2 芯片性能

采用第3部分中给出的测试方法对器件的性能进行测试。表2给出目前在轨运行的FY-2H卫星中搭载的四个波段碲镉汞光导器件的交付测试性能,测试温度为98 K。

4.3 响应光谱

卫星红外遥感应用中需要通过使用红外探测器得到的信号进行反演计算得到大气的温度、湿度以及地球表面温度等信息。这些信息获取的精度与红外探测器的响应光谱密切相关,光谱定量化是红外遥感发展的重要方向[8],针对风云卫星的应用,表现在对每个波段红外探测器的响应光谱形状都提出了所谓的“套框”要求,即要求探测器的响应光谱需要落在要求的内外框之间。图2、3、4给出了FY-2H星中所搭载的红外探测器的响应光谱,同时给出了内外套框要求以进行光谱定量化反演,可以看出,所有的探测器响应光谱都满足光谱定量化要求。

图2 3.5～4.0 μm波段双元探测器的响应光谱图形 Fig.2 Responsive spectra of dual-pixel detector of 3.5～4.0 μm

图3 6.3～7.6 μm波段双元探测器的响应光谱图形

图4 10.3～11.3 μm波段双元探测器的响应光谱图形

图5 11.5～12.5 μm波段双元探测器的响应光谱图形

5 FY-3E卫星中的碲镉汞光导器件

风云三号气象卫星属于我国继风云一号之后的第二代极轨气象卫星,由于其轨道面与太阳夹角保持不变,又称为太阳同步轨道卫星,目前在轨业务运行的有FY-3C/D/E三颗卫星,其中FY-3C为上午星,FY-3D为下午星,FY-3E为晨昏星,也是全球首颗民用黎明轨道业务气象卫星。三颗卫星的组网运行使我国成为唯一同时拥有上午、下午和黎明三个轨道极轨气象卫星组网观测能力的国家。与风云一号不同的是,FY-3E卫星上除了搭载中分辨率光谱成像仪(MERSI,对标美国的MODIS载荷),还搭载了高光谱大气探测仪(HIRAS),这两个载荷都采用了碲镉汞器件,其中碲镉汞光导器件相关的波段和器件规格如表3所示。

5.1 芯片图形

FY-3E星中分辨率光谱成像仪中6.95～7.45 μm和8.4～8.7 μm两个波段的碲镉汞光导芯片采用了同样的光刻版图,10.3～11.3 μm和11.5～12.5 μm两个波段的光导芯片采用了同样的光刻版图。最后制备得到的光导芯片分别如图6和图7所示。高光谱大气探测仪中长波通道采用了碲镉汞光导芯片,具体方案是将9个单元芯片排列成3×3阵列。单元芯片的图形如图8所示。

图6 中分辨率光谱成像仪中6.95～7.45 μm和8.4～8.7 μm两个波段十元碲镉汞光导芯片图形

图7 中分辨率光谱成像仪中10.3～11.3 μm和11.5～12.5 μm两个波段四十元碲镉汞光导芯片图形

图8 高光谱大气探测仪长波单元芯片

5.2 芯片性能

采用第3部分中的测试方案对各波段器件进行测试,测试时7.2 μm波段偏流为1.7 mA,8.55 μm波段偏流为2 mA,10.8 μm波段偏流为4 mA,12 μm波段偏流为5 mA,测试温度均为100 K;高光谱大气探测仪长波碲镉汞器件测试时偏流为2.5 mA,测试温度为85 K。图9、图12和图15给出各个波段器件各像元阻值;图10和图13给出中分辨率光谱成像仪四个波段芯片的噪声性能;图11、图14和图16给出各个波段器件的探测率性能。

图9 中分辨率光谱成像仪中6.95～7.45 μm和8.4～8.7 μm两个波段十元碲镉汞光导芯片阻值

图10 中分辨率光谱成像仪中6.95～7.45 μm和8.4～8.7 μm两个波段十元碲镉汞光导芯片噪声

图11 中分辨率光谱成像仪中6.95～7.45 μm和8.4～8.7 μm两个波段十元碲镉汞光导芯片探测率

图12 中分辨率光谱成像仪中10.3～11.3 μm和11.5～12.5 μm两个波段四十元碲镉汞光导芯片阻值

图13 中分辨率光谱成像仪中10.3～11.3 μm和11.5～12.5 μm两个波段四十元碲镉汞光导芯片噪声

图14 中分辨率光谱成像仪中10.3～11.3 μm和11.5～12.5 μm两个波段四十元碲镉汞光导芯片探测率

图15 高光谱大气探测仪九元长波碲镉汞光导芯片阻值

图16 高光谱大气探测仪九元长波碲镉汞光导芯片探测率

图17 FY-3E卫星中分辨率光谱成像仪用6.95～7.45 μm波段碲镉汞光导芯片响应光谱

图18 FY-3E卫星中分辨率光谱成像仪用8.4～8.7 μm波段芯片响应光谱

图19 FY-3E卫星中分辨率光谱成像仪用10.3～11.3 μm波段芯片响应光谱

5.3 响应光谱

FY-3E星中中分辨率光谱成像仪各个波段的的碲镉汞探测器光谱同样有套框要求,图7～图20仅仅给出各个波段的探测器响应光谱,各波段芯片测试温度为100 K。高光谱大气探测仪器件为宽波段响应光谱,仅有一前截止滤光片,测试温度为85 K。

图20 FY-3E卫星中分辨率光谱成像仪用11.5～12.5 μm波段芯片响应光谱

图21 FY-3E卫星高光谱大气探测仪用长波碲镉汞芯片响应光谱

6 FY-4B卫星中的碲镉汞光导器件

风云四号卫星是我国第二代地球静止轨道(GEO)定量遥感气象卫星,采用三轴稳定控制方案,将接替自旋稳定的风云二号卫星。多通道扫描成像辐射计(AGRI)和大气垂直探测仪(GIIRS)是风云四号卫星的两个重要载荷。其中多通道扫描辐射成像计通道由FY-2H星的5个增加为14个,主要技术对标美国和欧洲的第三代地球同步气象卫星(GOES-R和MTG-I)。大气垂直探测仪使风云四号卫星在国际上首次实现地球静止轨道的傅里叶干涉式大气高光谱垂直探测,并与成像辐射计共平台,可联合进行大气多通道成像观测和高光谱垂直探测[9]。多通道扫描辐射成像计和大气垂直探测仪两个载荷都采用了大量碲镉汞器件,其中与碲镉汞光导器件相关的波段和器件规格如表4所示。

表4 FY-4B卫星碲镉汞光导探测器相关波段说明

6.1 芯片图形

根据系统设计的要求,红外通道将分为三个组件,即2.1～2.35 μm,3.5～4.0 μm两个波段为IR1中短波双通道组件;5.8～6.7 μm、6.75～7.15 μm、7.24～7.6 μm三个波段为IR2水汽三通道组件;8.3～8.8 μm、10.3～11.3 μm、11.5～12.5 μm和13.0～13.6 μm四个波段为IR3长波四通道组件。其中IR1组件内的芯片为一字型像元结构排列的8元光伏(PV)型探测器(本文不进行讲述);IR2和IR3组件内的芯片为一字型排列的4元光导(PC)探测器,如图22所示。前面已经提到,风云四号卫星上搭载的大气垂直探测仪是世界上首个在地球同步轨道上运行的傅里叶干涉式大气高光谱垂直探测载荷,其上搭载的甚长波碲镉汞光导阵列更是世界上首个在地球同步轨道上使用的同类型探测器,项目研制过程中我们独创的宝石穿孔工艺(TSV)也使该器件成为迄今为止报道过的阵列规模最大的碲镉汞光导器件,其芯片照片如图23所示。

图22 FY-4B卫星多通道扫描辐射成像计用碲镉汞光导芯片图形

图23 FY-4B卫星大气垂直探测仪用碲镉汞光导阵列芯片图形

6.2 芯片性能

采用第3部分中的测试方案对FY-4B各波段碲镉汞光导器件进行测试,测试时三个水汽波段器件偏流为3 mA,8.55 μm波段偏流为2 mA,四个长波波段器件偏流为4 mA,测试温度均为88 K。大气垂直探测仪甚长波碲镉汞器件测试时偏流为4 mA,测试温度为65 K。图24给出多通道扫描辐射成像计各个波段器件的探测率分布范围及指标要求,图25给出各个波段芯片的电阻阻值范围;图26给出大气垂直探测仪甚长波器件各个像元的探测率性能。

图24 FY-4B多通道扫描辐射成像计碲镉汞光导器件的探测率范围及指标

图25 FY-4B多通道扫描辐射成像计各个波段器件的阻值范围及指标

图26 FY-4B大气垂直探测仪用甚长波碲镉汞光导器件的探测率分布

6.3 响应光谱

FY-4B星中多通道扫描辐射成像计各个波段的的碲镉汞探测器光谱同样有套框要求,图27、28给出各个波段的探测器响应光谱,各波段芯片测试温度为88 K,从图中可以看出各通道的响应光谱均在定量化的内外框内。大气垂直探测仪所用的甚长波碲镉汞光导器件为宽波段响应光谱(图29),与FY-3E卫星中的大气高光谱探测仪类似,该探测器也采用了前截止滤光片对前截止波长进行了限定。

图27 FY-4B卫星多通道扫描辐射成像计中三个水汽波段响应光谱

图28 FY-4B卫星多通道扫描辐射成像计中四个长波红外波段响应光谱

图29 FY-4B大气垂直探测仪用甚长波碲镉汞光导器件的响应光谱

7 碲镉汞光导器件的应用前景

由于碲镉汞光导器件的固有缺点,包括阻值太小导致无法与大规模信号读出电路进行耦合[10],响应非线性现象比光伏器件更明显[11],使其逐渐退出卫星红外遥感的主流应用,但在部分红外探测领域仍起到关键的作用,其中一个重要方向是基于傅里叶红外变换(FTIR)的定量化红外光谱探测,尤其是波长大于16 μm的甚长波红外波段,碲镉汞甚长波光导探测器由于具有性能高、波段宽、响应速度快以及制备工艺简单、成品率高等突出优点,成为FTIR仪器设备的关键核心器件。根据目前市场上主要FTIR仪器供应商在16 μm波段所采用探测器的调研情况,碲镉汞甚长波光导器件在FTIR领域仍将有着重要的应用前景。

8 总 结

本文中对碲镉汞光导器件在我国风云气象卫星中的应用进行了概括和总结,并给出了目前在轨运行的最新的FY-2H、FY-3E和FY-4B三颗气象卫星中所搭载的碲镉汞光导探测器的性能。作为在风云卫星中使用的第一代碲镉汞器件,其性能达到了国际上同一代探测器的性能水平,为我国风云卫星载荷达到国际上对标的航天器性能水平立下了汗马功劳。由于碲镉汞甚长波光导器件探测性能高以及制备工艺成熟,在甚长波红外FTIR光谱探测领域仍将有重要的应用。

致 谢：

风云卫星上应用的碲镉汞探测器是几代技物所人的赓续努力以及多个研究室团结协作的成果,本文中不能一一提及,在此向所有对风云卫星载荷中所用碲镉汞探测器的研制做出贡献的前辈和同人表示致敬和感谢!