風云氣象衛(wèi)星是中國作為世界大國的“標配”之一，高效服務(wù)于我國國民經(jīng)濟和社會發(fā)展，有效提升了中國作為世界負責任大國的國際形象。紅外探測器作為風云氣象衛(wèi)星的“眼睛”，其性能直接關(guān)系到風云衛(wèi)星的應(yīng)用效果。碲鎘汞光導器件作為第一代光子型紅外探測器，在我國風云氣象衛(wèi)星事業(yè)的發(fā)展壯大中起到了關(guān)鍵作用，尤其是作為全國產(chǎn)化高性能紅外探測器，在如今風云變幻的國際環(huán)境中更是為我國氣象衛(wèi)星事業(yè)的繼續(xù)發(fā)展起到了“定海神針”的作用。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近期，中國科學院上海技術(shù)物理研究所紅外成像材料與器件重點實驗室的科研團隊在《激光與紅外》期刊上發(fā)表了以“碲鎘汞光導器件在風云氣象衛(wèi)星中的應(yīng)用”為主題的文章。該文章第一作者為喬輝研究員，通訊作者為李向陽研究員。

本文中將結(jié)合目前在軌運行的風云系列氣象衛(wèi)星，對其所應(yīng)用的碲鎘汞光導型器件的設(shè)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(yīng)用前景進行展望。

碲鎘汞光導器件的設(shè)計過程和制備工藝選用

碲鎘汞光導器件的本質(zhì)是光敏電阻元件。在針對某一具體型號應(yīng)用進行碲鎘汞光導器件的設(shè)計時，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，碲鎘汞光導器件有窄帶和寬帶兩種波段應(yīng)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(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，風云三號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(shù)優(yōu)選，碲鎘汞光導器件采用N型材料進行制備，需要關(guān)注的電學參數(shù)包括材料的電阻率、霍爾載流子濃度和霍爾遷移率。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5×101? cm?3，霍爾遷移率大于1×10? cm2V?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，需要針對項目任務(wù)書要求進行碲鎘汞光導器件的光刻版圖設(shè)計和工藝設(shè)計，光刻版圖設(shè)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(shè)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(shù)的確定。這里有幾步工藝需要進行特別關(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(shè)計有不同的要求，也會對碲鎘汞材料產(chǎn)生不同的影響，需要綜合考慮來確定最后的引線工藝。

風云衛(wèi)星應(yīng)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(nèi)容的考慮，在此不再贅述。

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(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行以上內(nèi)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(jīng)過校準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和噪聲進行測試，由計算機進行數(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，該信號經(jīng)傅立葉變換后得到器件的相對響應(yīng)光譜。

FY-2H衛(wèi)星中的碲鎘汞光導器件

風云二號氣象衛(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)方面對標美國的第二代地球同步衛(wèi)星（GOES-4～GOES-7）。風云二號衛(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)運行三顆（FY-2F/G/H）。風云二號衛(wèi)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(tǒng)主光軸垂直于衛(wèi)星自旋軸，與地球赤道平面平行，星下點指向赤道，利用衛(wèi)星自旋和望遠鏡步進來實現(xiàn)對地球的二維掃描以獲得地球云圖。

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(guī)格如表1所示。

表1 FY-2H掃描輻射計各紅外波段說明

芯片圖形

FY-2H衛(wèi)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(shè)計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掃描輻射計雙元碲鎘汞光導器件

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(wèi)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。

表2 FY-2H掃描輻射計八元碲鎘汞光導器件性能

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(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，針對風云衛(wèi)星的應(yīng)用，表現(xiàn)在對每個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、圖3、圖4給出了FY-2H星中所搭載的紅外探測器的響應(yīng)光譜，同時給出了內(nèi)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(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

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

FY-3E衛(wèi)星中的碲鎘汞光導器件

風云三號氣象衛(wèi)星屬于我國繼風云一號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)運行的有FY-3C/D/E三顆衛(wèi)星，其中FY-3C為上午星，F(xiàn)Y-3D為下午星，F(xiàn)Y-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(wèi)星組網(wǎng)觀測能力的國家。與風云一號不同的是，F(xiàn)Y-3E衛(wèi)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(guān)的波段和器件規(guī)格如表3所示。

表3 FY-3E衛(wèi)星上搭載的碲鎘汞光導器件說明

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

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

響應(yīng)光譜

FY-3E星中中分辨率光譜成像儀各個波段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(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

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

FY-4B衛(wèi)星中的碲鎘汞光導器件

風云四號衛(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)定的風云二號衛(wèi)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(wèi)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(shù)對標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云四號衛(wèi)星在國際上首次實現(xiàn)地球靜止軌道的傅里葉干涉式大氣高光譜垂直探測，并與成像輻射計共平臺，可聯(lián)合進行大氣多通道成像觀測和高光譜垂直探測。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(guān)的波段和器件規(guī)格如表4所示。

表4 FY-4B衛(wèi)星碲鎘汞光導探測器相關(guān)波段說明

芯片圖形

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)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IRI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IRI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（本文不進行講述）；IR2和IR3組件內(nèi)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(jīng)提到，風云四號衛(wèi)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(chuàng)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(guī)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(wèi)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(wèi)星大氣垂直探測儀用碲鎘汞光導陣列芯片圖形

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

響應(yīng)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(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行了限定。

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

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

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

碲鎘汞光導器件的應(yīng)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(guī)模信號讀出電路進行耦合，響應(yīng)非線性現(xiàn)象比光伏器件更明顯，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(yīng)速度快以及制備工藝簡單、成品率高等突出優(yōu)點，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，碲鎘汞甚長波光導器件在FTIR領(lǐng)域仍將有著重要的應(yīng)用前景。

總結(jié)

本文中對碲鎘汞光導器件在我國風云氣象衛(wèi)星中的應(yīng)用進行了概括和總結(jié)，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(wèi)星中所搭載的碲鎘汞光導探測器的性能。作為在風云衛(wèi)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(wèi)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(lǐng)域仍將有重要的應(yīng)用。

審核編輯：劉清