寬幅成像儀（WSI）是大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)衛(wèi)星中的主要載荷之一，可以提供從可見(jiàn)光到長(zhǎng)波紅外的地球環(huán)境成像遙感數(shù)據(jù)。寬幅成像儀中搭載了從1.3μm~12.5 μm紅外波段進(jìn)行探測(cè)的8個(gè)波段碲鎘汞紅外探測(cè)器，各波段采用窄帶濾光片進(jìn)行分光，8個(gè)波段的碲鎘汞探測(cè)器封裝在短波、中波和長(zhǎng)波3個(gè)組件中。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所、上海航天技術(shù)研究院和上海衛(wèi)星工程研究所的聯(lián)合科研團(tuán)隊(duì)在《上海航天（中英文）》期刊上發(fā)表了以“大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)衛(wèi)星寬幅成像儀高性能碲鎘汞紅外探測(cè)芯片”為主題的文章。該文章第一作者為喬輝研究員，主要從事紅外光電材料與器件方面的研究工作；通訊作者為張冬冬研究員和李向陽(yáng)研究員。

本文對(duì)8個(gè)波段的碲鎘汞紅外探測(cè)器進(jìn)行了概述，內(nèi)容涵蓋了探測(cè)器的設(shè)計(jì)思想、制備工藝和測(cè)試方法，最后給出了目前在軌運(yùn)行的高性能探測(cè)器組件的探測(cè)率性能和響應(yīng)光譜，同時(shí)與各波段器件的探測(cè)率指標(biāo)進(jìn)行了對(duì)比。

碲鎘汞紅外探測(cè)器的設(shè)計(jì)

碲鎘汞材料組分的選擇

碲鎘汞材料（Hg1?xCdxTe）可以視作是由半金屬材料HgTe和半導(dǎo)體材料CdTe以組分X配比形成的三元系化合物半導(dǎo)體材料。碲鎘汞材料的禁帶寬度由組分X決定，通過(guò)改變X值可以調(diào)節(jié)材料的禁帶寬度，從而改變對(duì)應(yīng)探測(cè)器的截止波長(zhǎng)。在針對(duì)型號(hào)應(yīng)用進(jìn)行碲鎘汞器件的設(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(zhǎng)與峰值波長(zhǎng)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系來(lái)確定器件的截止波長(zhǎng)；最后結(jié)合其工作溫度來(lái)確定所選用碲鎘汞材料的組分X值。

根據(jù)統(tǒng)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于大于8 μm的長(zhǎng)波紅外，由于碲鎘汞材料帶邊能級(jí)和組分均勻性的影響，其截止波長(zhǎng)比峰值波長(zhǎng)約長(zhǎng)10%；對(duì)于中短波紅外，可以忽略帶邊影響和組分均勻性影響，認(rèn)為峰值波長(zhǎng)和截止波長(zhǎng)相同。

寬幅成像儀中3個(gè)組件中各波段碲鎘汞紅外探測(cè)器所選用碲鎘汞材料的X組分見(jiàn)表1，表中同時(shí)給出了各紅外波段的波段代號(hào)和波段范圍。

表1 WSI 8個(gè)紅外波段碲鎘汞器件的組分X

碲鎘汞材料的生長(zhǎng)

碲鎘汞材料的生長(zhǎng)采用碲作熔劑的移動(dòng)加熱器法（THM）。首先在百級(jí)凈化環(huán)境中將碲、鎘、汞3種元素，按照表1中的比例分別進(jìn)行稱量，然后混合裝入石英安瓿中進(jìn)行高溫合成，為使3種元素的混合盡量均勻，合成過(guò)程中采用搖擺式合成，即將加熱爐以固定的頻率進(jìn)行擺動(dòng)，搖擺合成結(jié)束后，在加熱爐中通入氮?dú)膺M(jìn)行冷卻形成多晶錠。將該多晶錠放入新的石英安瓿中進(jìn)行移動(dòng)加熱法晶體生長(zhǎng)，加熱爐和石英安瓿的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速率約為3 mm/d。為了降低生長(zhǎng)過(guò)程的汞壓，采用了以液態(tài)碲作溶劑的富碲生長(zhǎng)工藝，既降低了生長(zhǎng)溫度和汞壓，也降低了生長(zhǎng)界面的溫度梯度，使生長(zhǎng)界面更加平坦，減少晶片的徑向組分梯度。同時(shí)由于分凝作用，碲熔區(qū)對(duì)于碲鎘汞也起到了雜質(zhì)提純作用，降低了材料中的雜質(zhì)濃度，有利于提高材料的少子壽命。晶體生長(zhǎng)結(jié)束后，將生長(zhǎng)好的錠條從石英安瓿中取出采用多絲線切割工藝進(jìn)行切片，晶片的厚度為1 mm，直徑為10~15 mm，切片后需要通過(guò)磨拋工藝以去除切片過(guò)程中造成的損傷，然后利用密度測(cè)試方法來(lái)計(jì)算得到碲鎘汞晶片的組分X值，并根據(jù)組分選擇相應(yīng)的低溫?zé)崽幚砉に噥?lái)消除材料中的汞空位濃度，最后利用范德堡法霍爾測(cè)試對(duì)碲鎘汞材料的電學(xué)參數(shù)進(jìn)行表征測(cè)試，選擇合適組分和電學(xué)參數(shù)的碲鎘汞晶片進(jìn)行芯片制備。項(xiàng)目中光伏型碲鎘汞器件采用P型碲鎘汞材料進(jìn)行制備，光導(dǎo)型碲鎘汞器件采用N型碲鎘汞材料進(jìn)行制備，N型和P型碲鎘汞材料的制備工藝流程如圖1和圖2所示。

圖1 N型碲鎘汞材料工藝過(guò)程

圖2 P型碲鎘汞材料工藝過(guò)程

碲鎘汞探測(cè)器工藝的選擇

寬幅成像儀中的碲鎘汞器件包括光伏型和光導(dǎo)型，其中S0、S1、S2和MV 4個(gè)波段為光伏型器件，其余4個(gè)波段為光導(dǎo)型器件。碲鎘汞光伏器件的物理本質(zhì)是PN結(jié)，這里采用的是N-on-P型平面結(jié)結(jié)構(gòu)，通過(guò)在P型碲鎘汞材料中進(jìn)行硼離子注入來(lái)形成PN結(jié)。其基本結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 N-on-P型平面結(jié)結(jié)構(gòu)

在體晶材料碲鎘汞光伏器件制備中，一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)是厚度的選擇，為了降低背面表面復(fù)合速率的影響，采用的是厚基底結(jié)構(gòu)，即P型碲鎘汞材料的厚度大概為100 μm。短波碲鎘汞光伏器件的芯片設(shè)計(jì)版圖如圖4所示，中波碲鎘汞光伏器件的設(shè)計(jì)版如圖5所示。

圖4 短波碲鎘汞光伏芯片版圖設(shè)計(jì)

圖5 中波碲鎘汞光伏芯片版圖設(shè)計(jì)

短波和中波碲鎘汞光伏器件的工藝過(guò)程基本相同，只有在離子注入成結(jié)工藝中進(jìn)行了區(qū)分，短波器件的離子注入能量100 keV，而中波器件的離子注入能量是150 keV。光伏器件的具體工藝過(guò)程如圖6所示。制備得到的15元短波和中波碲鎘汞光伏芯片如圖7所示。

圖6 碲鎘汞光伏芯片的制造過(guò)程

圖7 碲鎘汞光伏芯片照片

碲鎘汞光導(dǎo)器件的物理本質(zhì)是一光敏電阻，基本結(jié)構(gòu)如圖8中所示。圖中給出了2種結(jié)構(gòu)的光導(dǎo)器件，結(jié)構(gòu)圖8（b）是常規(guī)結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)圖8（c）中為了提高器件電阻，在光敏面上采用了開(kāi)槽結(jié)構(gòu)，使其阻值增加到無(wú)槽結(jié)構(gòu)的（N+1）2倍（N為開(kāi)槽數(shù)目）。項(xiàng)目中，長(zhǎng)波光導(dǎo)器件采用的是結(jié)構(gòu)圖8（b），中波光導(dǎo)器件采用的是結(jié)構(gòu)圖8（c）。

圖8 碲鎘汞光導(dǎo)器件結(jié)構(gòu)

碲鎘汞光導(dǎo)器件的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)為材料厚度。碲鎘汞光導(dǎo)器件厚度選擇的原則是對(duì)入射紅外輻射盡量吸收，根據(jù)碲鎘汞材料對(duì)不同紅外輻射的吸收系數(shù)可以確定不同波段器件的材料厚度，中波光導(dǎo)器件的厚度選擇8μm~12 μm，長(zhǎng)波器件的厚度選擇13μm~16 μm。薄的碲鎘汞材料在工藝操作中極易碎裂，因此需要將其固定在較厚的襯底上。器件制備前需要先將碲鎘汞材料與襯底材料（通常為藍(lán)寶石）先用環(huán)氧膠通過(guò)壓片工藝粘貼到一起，環(huán)氧膠的厚度通常小于1 μm（從導(dǎo)熱的角度環(huán)氧膠的厚度越薄越好，但壓片壓強(qiáng)過(guò)大容易裂片）。利用拋光工藝將碲鎘汞材料拋光至需要的厚度，然后進(jìn)行光導(dǎo)器件的制備。

中波和長(zhǎng)波碲鎘汞光導(dǎo)器件的芯片設(shè)計(jì)版圖，分別如圖9和圖10所示。碲鎘汞光導(dǎo)器件的制備工藝過(guò)程如圖11所示。制備得到的中波M1C、M2C和長(zhǎng)波碲鎘汞光導(dǎo)芯片照片如圖12所示。

圖9 中波MC1和MC2波段碲鎘汞光導(dǎo)芯片設(shè)計(jì)版圖

圖10 長(zhǎng)波L1和L2波段碲鎘汞光導(dǎo)芯片設(shè)計(jì)版圖

圖11 碲鎘汞光導(dǎo)芯片的制造過(guò)程

圖12 碲鎘汞光導(dǎo)芯片照片

碲鎘汞探測(cè)器信號(hào)的讀出方式

項(xiàng)目中光伏器件的響應(yīng)信號(hào)采用了CMOS低溫集成電子學(xué)讀出方式，而光導(dǎo)器件采用的是熱電子學(xué)讀出。短波碲鎘汞光伏器件的響應(yīng)信號(hào)通過(guò)電容反饋積分放大（CTIA）方式讀出，如圖13（a）所示，S0和S1波段積分電容Ci為0.9 pF，S2波段的積分電容Ci為0.6 pF；中波碲鎘汞光伏器件的響應(yīng)信號(hào)通過(guò)電阻反饋放大（RTIA）方式讀出，如圖13（b）所示，其反饋電阻R為15 MΩ；圖13中Vref為輸入端參考電壓。2種低溫電路均采用標(biāo)準(zhǔn)0.5 μm CMOS工藝制造而成。短波和中波的碲鎘汞光伏芯片與低溫電子學(xué)電路置于同一藍(lán)寶石電極板上，中間通過(guò)引線鍵合方式進(jìn)行互聯(lián)，其結(jié)構(gòu)如圖13所示。

圖13 碲鎘汞光伏器件的信號(hào)讀出方式

碲鎘汞光導(dǎo)芯片由于阻值太小，無(wú)法直接與CMOS低溫集成電子學(xué)電路進(jìn)行互聯(lián)，而是通過(guò)引線將信號(hào)引到探測(cè)器組件外與室溫?zé)犭娮訉W(xué)進(jìn)行連接。

寬幅成像儀中各波段碲鎘汞探測(cè)器的設(shè)計(jì)方案的歸納見(jiàn)表2。

表2 寬幅成像儀中各波段碲鎘汞探測(cè)器的設(shè)計(jì)方案

碲鎘汞探測(cè)器性能測(cè)試方法與結(jié)果

碲鎘汞光伏器件的測(cè)試方法

碲鎘汞光伏器件的性能測(cè)試主要包括3部分內(nèi)容：1）器件的電流-電壓曲線；2）器件的響應(yīng)光譜；3）器件的響應(yīng)率、噪聲和探測(cè)率以及像元之間的電串音。器件的電流?電壓曲線利用類似Keithley236的源表進(jìn)行測(cè)試，在芯片兩端施加一變化的電壓，然后測(cè)試通過(guò)芯片的電流，對(duì)于碲鎘汞光伏器件，兩端施加的變化電壓范圍通常為?0.5V~0.5 V。器件的響應(yīng)光譜通常采用傅里葉變換紅外（FTIR）光譜儀來(lái)進(jìn)行測(cè)試，干涉光源從傅里葉光譜儀引出后入射到探測(cè)器像元上，利用采樣保持得到干涉信號(hào)，干涉信號(hào)經(jīng)放大后返回到光譜儀主機(jī)，然后經(jīng)傅里葉變換得到器件的響應(yīng)光譜圖，測(cè)試原理如圖14所示。

圖14 碲鎘汞光伏器件FTIR光譜測(cè)試圖

通過(guò)該光譜圖可以得到器件響應(yīng)的峰值波長(zhǎng)、截止波長(zhǎng)以及峰值響應(yīng)G因子（即峰值響應(yīng)率與黑體響應(yīng)率的比值）。

器件的響應(yīng)率通常采用黑體測(cè)試得到，測(cè)試在一定條件下入射黑體產(chǎn)生的響應(yīng)信號(hào)，然后除以計(jì)算得到的黑體入射功率即可得到器件的黑體響應(yīng)率。同樣條件下對(duì)黑體信號(hào)進(jìn)行遮擋后可以測(cè)量得到器件的噪聲，然后結(jié)合黑體響應(yīng)率計(jì)算可得到器件的黑體探測(cè)率。再結(jié)合響應(yīng)光譜測(cè)試結(jié)果可以計(jì)算得到器件的光譜探測(cè)率。光伏器件的黑體響應(yīng)率和探測(cè)率的測(cè)試原理如圖15所示，對(duì)于短波器件黑體溫度取900 K，對(duì)于中波器件黑體溫度取500 K。調(diào)制盤調(diào)制頻率取1000 Hz，噪聲測(cè)試帶寬取100 Hz。

圖15 碲鎘汞光伏器件的信號(hào)和噪聲測(cè)試原理

碲鎘汞光導(dǎo)器件的測(cè)試方法

碲鎘汞光導(dǎo)器件的性能測(cè)試同樣包括3部分內(nèi)容：1）器件的阻值；2）器件的響應(yīng)光譜；3）器件的響應(yīng)率、噪聲和探測(cè)率以及像元之間的電串音。器件的阻值通常采用高精度萬(wàn)用表來(lái)直接讀數(shù)測(cè)量。

光導(dǎo)器件的響應(yīng)光譜測(cè)試與光伏器件基本相同，主要差別在于光導(dǎo)器件需要增加一偏流源以給光導(dǎo)器件施加偏置電流，如圖16所示。

圖16碲鎘汞光導(dǎo)器件FTIR光譜測(cè)試圖

與光伏器件類似，光導(dǎo)器件的響應(yīng)率通常也是采用黑體測(cè)試得到，測(cè)試在一定條件下入射黑體產(chǎn)生的響應(yīng)信號(hào)，然后除以計(jì)算得到的黑體入射功率即可得到器件的黑體響應(yīng)率。根據(jù)碲鎘汞器件阻值較小的特點(diǎn)，通常對(duì)其采用電流源恒定偏置電流測(cè)試方法，器件接收到紅外輻射信號(hào)后電阻會(huì)發(fā)生變化，繼而引起兩端電壓的變化，通過(guò)對(duì)這一變化電壓的測(cè)量可以得到器件的響應(yīng)信號(hào)。由于器件的阻值變化很小（通常為原阻值的十萬(wàn)分之幾），對(duì)這一電壓信號(hào)的測(cè)量必須采用交流方法，即對(duì)入射黑體輻射進(jìn)行一定頻率的調(diào)制，然后采用鎖相放大器對(duì)同樣頻率的電壓信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。同樣條件下，對(duì)黑體信號(hào)進(jìn)行遮擋后可以測(cè)量得到器件的噪聲，整個(gè)測(cè)試過(guò)程原理如圖17所示。調(diào)制盤調(diào)制頻率取1000 Hz，噪聲測(cè)試帶寬取100 Hz。

圖17 碲鎘汞光導(dǎo)器件的信號(hào)和噪聲測(cè)試原理圖

相鄰像元之間的電串音需要進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試方法是對(duì)一個(gè)像元施加一個(gè)1 mA的交流信號(hào)，然后測(cè)相鄰元的信號(hào)大小，兩者相比得到兩個(gè)像元之間的電串音。

寬幅成像儀各波段碲鎘汞芯片性能

各波段碲鎘汞器件根據(jù)以上測(cè)試方法在芯片研制過(guò)程完成后對(duì)其性能進(jìn)行了測(cè)試，均能滿足項(xiàng)目任務(wù)書指標(biāo)要求。以下僅給出器件的響應(yīng)光譜和探測(cè)率性能。短波組件三波段碲鎘汞光伏探測(cè)器的響應(yīng)光譜和探測(cè)率性能如圖18和圖19所示。中波組件三波段探測(cè)器的響應(yīng)光譜和探測(cè)率性能如圖20、圖21和圖22所示。中長(zhǎng)波組件兩波段光導(dǎo)探測(cè)器的響應(yīng)光譜和探測(cè)率性能如圖23和圖24所示。

圖18 短波組件三波段碲鎘汞光伏探測(cè)器的響應(yīng)光譜

圖19 短波組件三波段碲鎘汞光伏探測(cè)器組件的探測(cè)率

圖20 中波組件三波段碲鎘汞探測(cè)器的響應(yīng)光譜

圖21 中波組件MV波段碲鎘汞光伏探測(cè)器的探測(cè)率

圖22 中波組件MC1和MC2波段碲鎘汞光導(dǎo)探測(cè)器的探測(cè)率

圖23 長(zhǎng)波組件兩波段碲鎘汞光導(dǎo)探測(cè)器的響應(yīng)光譜

圖24 長(zhǎng)波組件L1和L2波段碲鎘汞光導(dǎo)探測(cè)器的探測(cè)率

DQ?1 WSI碲鎘汞芯片性能與國(guó)外相似類型航天載荷芯片性能對(duì)比

WSI載荷的碲鎘汞紅外探測(cè)器技術(shù)繼承自風(fēng)云系列氣象衛(wèi)星，與WSI載荷在功能和探測(cè)波段方面有相似性的國(guó)外航天載荷包括美國(guó)的MO?DIS、VIIRS、GOES以及其他相關(guān)載荷，其中MODIS和VIRRS所采用的碲鎘汞紅外波段探測(cè)器由美國(guó)Raytheon公司（前身為SBRC）提供，GOES所采用的碲鎘汞紅外探測(cè)器由BAE公司提供。由于有的載荷碲鎘汞器件資料幾乎沒(méi)有公開(kāi)報(bào)道，下面首先對(duì)文獻(xiàn)中報(bào)道過(guò)的與WSI載荷類似波段碲鎘汞器件的性能進(jìn)行歸納，然后將其與WSI載荷中碲鎘汞器件的性能進(jìn)行對(duì)比。

國(guó)外相關(guān)載荷碲鎘汞芯片性能

對(duì)于碲鎘汞光伏芯片來(lái)說(shuō)，影響探測(cè)率性能的主要參數(shù)為量子效率和R?A因子（即零偏電阻R?與結(jié)區(qū)面積A的乘積）。表3中分別給出了文獻(xiàn)中查到的國(guó)外部分載荷短波碲鎘汞芯片的主要性能。

表3 國(guó)外相關(guān)載荷短波碲鎘汞光伏芯片性能

SBRC為某項(xiàng)目研制的中波碲鎘汞芯片性能，其截止波長(zhǎng)為4.5 μm，工作溫度為80 K，文中提到芯片探測(cè)率優(yōu)于1×1012 cm·Hz1/2·W?1；WSI中7.325波段和8.55波段采用了光導(dǎo)型碲鎘汞芯片，而MODIS和VIIRS載荷這兩個(gè)波段均采用光伏型碲鎘汞芯片，芯片性能沒(méi)有公開(kāi)報(bào)道。GOESI-M衛(wèi)星中有類似的工作波段，采用的是碲鎘汞光導(dǎo)型芯片，工作溫度為105 K，其探測(cè)率為1×1011 cm·Hz1/2·W?1。對(duì)于長(zhǎng)波波段，MODIS和WSI均采用了光導(dǎo)型碲鎘汞芯片，少許透露了MO?DIS長(zhǎng)波碲鎘汞芯片的性能，其探測(cè)率可以達(dá)到1×1011 cm·Hz1/2·W?1。

WSI與國(guó)外類似載荷碲鎘汞芯片探測(cè)率性能對(duì)比

WSI各個(gè)波段的碲鎘汞芯片與國(guó)外載荷型號(hào)類似波段碲鎘汞芯片的探測(cè)率性能對(duì)比，見(jiàn)表4。

表4 WSI與國(guó)外類似載荷碲鎘汞芯片探測(cè)率對(duì)比

由表可知，WSI各個(gè)波段碲鎘汞芯片探測(cè)率性能與國(guó)外載荷類似波段所用的碲鎘汞芯片基本相當(dāng)，對(duì)于長(zhǎng)波光導(dǎo)芯片，考MODIS長(zhǎng)波器件的工作溫度為85 K，而WSI的工作溫度為100 K，兩者的探測(cè)能力也基本相當(dāng)。

結(jié)束語(yǔ)

自從2022年4月16日首顆大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)衛(wèi)星發(fā)射升空至今，寬幅成像儀載荷（WSI）已經(jīng)成功開(kāi)機(jī)在軌運(yùn)行并得到了高精度紅外遙感數(shù)據(jù)，達(dá)到了儀器的設(shè)計(jì)目標(biāo)，其中作為載荷眼睛的紅外探測(cè)器起到了不可或缺的重要作用，經(jīng)過(guò)與國(guó)外類似型號(hào)碲鎘汞芯片進(jìn)行比較，探測(cè)器的主要性能與國(guó)外相當(dāng)。本文中針對(duì)載荷所采用的碲鎘汞紅外探測(cè)器芯片從探測(cè)器設(shè)計(jì)到探測(cè)器性能測(cè)試進(jìn)行了介紹。作為一項(xiàng)航天工程任務(wù)，其最終成功需要各方面的協(xié)調(diào)配合，缺一不可。WSI紅外探測(cè)器的組件研制涉及探測(cè)器芯片、低溫電子學(xué)電路以及與組件封裝有關(guān)的光學(xué)透鏡、濾光片、管殼等，最后完成集成組裝。當(dāng)組件封裝完成以后，還需要進(jìn)行一系列可靠性試驗(yàn)工作。

這項(xiàng)研究獲得國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2021YFA0715501）的資助和支持。

論文鏈接：

DOI: 10.19328/j.cnki.2096?8655.2023.03.012