大氣環境監測衛星寬幅成像儀高性能碲鎘汞紅外探測芯片

喬 輝，王妮麗，楊曉陽，郭 強，蒯文林，徐國慶，張冬冬，李向陽

（1.中國科學院上海技術物理研究所，上海 200083；2.上海航天技術研究院，上海 201109；3.上海衛星工程研究所，上海 201109）

0 引言

2022 年4 月16 日，我國首顆大氣環境監測衛星成功發射，該衛星上搭載了大氣探測激光雷達、高精度偏振掃描儀、多角度偏振成像儀、紫外高光譜大氣成分探測儀和寬幅光譜成像儀等5 臺儀器。由于該衛星為太陽同步軌道衛星，可以在全球范圍內對PM2.5等細顆粒物污染監測，二氧化氮、二氧化硫、臭氧等污染氣體以及二氧化碳柱濃度進行監測。衛星上配置的寬幅成像儀載荷可以進行大范圍內全球數據動態高精度測量，包括云層覆蓋的變化、地球能量輻射變化、海洋陸地以及低空變化過程。寬幅成像儀中共設置了8 個紅外波段，均采用碲鎘汞紅外探測器，包括光導型和光伏型。本文第1 部分對寬幅成像儀中所采用的碲鎘汞紅外探測器芯片進行了詳細介紹；第2 部分從碲鎘汞材料、碲鎘汞器件工藝以及信號讀出方式等對各波段紅外探測器的設計進行了介紹；第3 部分中對碲鎘汞紅外探測器的測試方法和在軌運行器件的性能進行了介紹；第4 部分是本文的總結。

1 碲鎘汞紅外探測器的設計

1.1 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 和半導體材料CdTe 以組分x配比形成的三元系化合物半導體材料［1］。碲鎘汞材料的禁帶寬度由組分x決定，通過改變x值可以調節材料的禁帶寬度，從而改變對應探測器的截止波長。在針對型號應用進行碲鎘汞器件的設計時，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；最后結合其工作溫度來確定所選用碲鎘汞材料的組分x值。

碲鎘汞材料的禁帶寬度Eg已經有多個經驗公式，這里采用CXT 公式［2］如下：

式中：T為絕對溫度，eV。

根據材料的禁帶寬度可計算得到材料吸收的截止波長如下：

需要指出的是，由式（1）和式（2）計算得到的截止波長為響應降到峰值50%處的波長（以下若無特別說明，截止波長均指50%截止波長）。根據統計經驗，對于大于8 μm 的長波紅外，由于碲鎘汞材料帶邊能級和組分均勻性的影響，其截止波長比峰值波長約長10%［3］；對于中短波紅外，可以忽略帶邊影響和組分均勻性影響，認為峰值波長和截止波長相同。

寬幅成像儀中3 個組件中各波段碲鎘汞紅外探測器所選用碲鎘汞材料的x組分見表1，表中同時給出了各紅外波段的波段代號和波段范圍。

表1 WSI 8 個紅外波段碲鎘汞器件的組分xTab.1 x values of Hg1-xCdxTe selected for the eightchannel infrared detectors of WSI

1.2 碲鎘汞材料的生長

碲鎘汞材料的生長采用碲作熔劑的移動加熱器法（Travelling Heater Method，THM）［4］。首先在百級凈化環境中將碲、鎘、汞3 種元素，按照表1 中的比例分別進行稱量，然后混合裝入石英安瓿中進行高溫合成，為使3 種元素的混合盡量均勻，合成過程中采用搖擺式合成，即將加熱爐以固定的頻率進行擺動，搖擺合成結束后，在加熱爐中通入氮氣進行冷卻形成多晶錠。將該多晶錠放入新的石英安瓿中進行移動加熱法晶體生長，加熱爐和石英安瓿的相對運動速率約為3 mm/d。為了降低生長過程的汞壓，采用了以液態碲作溶劑的富碲生長工藝，既降低了生長溫度和汞壓，也降低了生長界面的溫度梯度，使生長界面更加平坦，減少晶片的徑向組分梯度。同時由于分凝作用，碲熔區對于碲鎘汞也起到了雜質提純作用，降低了材料中的雜質濃度，有利于提高材料的少子壽命。晶體生長結束后，將生長好的錠條從石英安瓿中取出采用多絲線切割工藝進行切片，晶片的厚度為1 mm，直徑為10～15 mm，切片后需要通過磨拋工藝以去除切片過程中造成的損傷，然后利用密度測試方法來計算得到碲鎘汞晶片的組分x值，并根據組分選擇相應的低溫熱處理工藝來消除材料中的汞空位濃度，最后利用范德堡法霍爾測試對碲鎘汞材料的電學參數進行表征測試，選擇合適組分和電學參數的碲鎘汞晶片進行芯片制備。項目中光伏型碲鎘汞器件采用P 型碲鎘汞材料進行制備，光導型碲鎘汞器件采用N 型碲鎘汞材料進行制備，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程Fig.1 Fabrication process of the N type HgCdTe material

圖2 P 型碲鎘汞材料工藝過程Fig.2 Fabrication process of the P type HgCdTe material

1.3 碲鎘汞探測器工藝的選擇

寬幅成像儀中的碲鎘汞器件包括光伏型［5］和光導型［6］，其中S0、S1、S2 和MV 4 個波段為光伏型器件，其余4 個波段為光導型器件。碲鎘汞光伏器件的物理本質是一PN 結，這里采用的是N-on-P 型平面結結構，通過在P 型碲鎘汞材料中進行硼離子注入來形成PN 結。其基本結構如圖3 所示。

圖3 N-on-P 型平面結結構Fig.3 Diagram of the N-on-P type planar junction structure

在體晶材料碲鎘汞光伏器件制備中，一個關鍵參數是厚度的選擇，為了降低背面表面復合速率的影響，采用的是厚基底結構，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計版圖如圖4 所示，中波碲鎘汞光伏器件的設計版如圖5 所示。

圖4 短波碲鎘汞光伏芯片版圖設計Fig.4 Layout of the SW HgCdTe photovoltaic detectors

圖5 中波碲鎘汞光伏芯片版圖設計Fig.5 Layout of the MW HgCdTe photovoltaic detectors

短波和中波碲鎘汞光伏器件的工藝過程基本相同，只有在離子注入成結工藝中進行了區分，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程Fig.6 Fabrication process of the HgCdTe photovoltaic detectors

圖7 碲鎘汞光伏芯片照片Fig.7 Photographs of the fabricated HgCdTe photovoltaic detectors

碲鎘汞光導器件的物理本質是一光敏電阻，基本結構如圖8 中所示。圖中給出了2 種結構的光導器件［7］，結構圖8（b）是常規結構，結構圖8（c）中為了提高器件電阻，在光敏面上采用了開槽結構，使其阻值增加到無槽結構的（N+1）2倍（N為開槽數目）。項目中，長波光導器件采用的是結構圖8（b），中波光導器件采用的是結構圖8（c）。

圖8 碲鎘汞光導器件結構Fig.8 Schematic diagram of a HgCdTe photoconductive detector

碲鎘汞光導器件的一個關鍵參數為材料厚度。碲鎘汞光導器件厚度選擇的原則是對入射紅外輻射盡量吸收，根據碲鎘汞材料對不同紅外輻射的吸收系數可以確定不同波段器件的材料厚度，中波光導器件的厚度選擇8～12 μm，長波器件的厚度選擇13～16 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（通常為藍寶石）先用環氧膠通過壓片工藝粘貼到一起，環氧膠的厚度通常小于1 um（從導熱的角度環氧膠的厚度越薄越好，但壓片壓強過大容易裂片）。利用拋光工藝將碲鎘汞材料拋光至需要的厚度，然后進行光導器件的制備。

中波和長波碲鎘汞光導器件的芯片設計版圖，分別如圖9 和圖10 所示。碲鎘汞光導器件的制備工藝過程如圖11 所示。制備得到的中波M1C、M2C 和長波碲鎘汞光導芯片照片如圖12 所示。

圖9 中波MC1 和MC2 波段碲鎘汞光導芯片設計版圖Fig.9 Layout of the HgCdTe photoconductive detectors in the MC1 and MC2 channels

圖10 長波L1 和L2 波段碲鎘汞光導芯片設計版圖Fig.10 Layout of the HgCdTe photoconductive detectors in the L1 and L2 channels

圖11 碲鎘汞光導芯片的制造過程Fig.11 Fabrication process of the HgCdTe photoconductive detectors

圖12 碲鎘汞光導芯片照片Fig.12 Photographs of the fabricated HgCdTe photoconductive detectors

1.4 碲鎘汞探測器信號的讀出方式[8]

項目中光伏器件的響應信號采用了CMOS 低溫集成電子學讀出方式［9］，而光導器件采用的是熱電子學讀出［10］。短波碲鎘汞光伏器件的響應信號通過電容反饋積分放大（Capacitive Feedback Integration Amplification，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信號通過電阻反饋放大（Resistance Feedback Amplification，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準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電路置于同一藍寶石電極板上，中間通過引線鍵合方式進行互聯，其結構如圖13 所示。

圖13 碲鎘汞光伏器件的信號讀出方式Fig.13 Signal readout modes of the HgCdTe photovoltaic detectors

碲鎘汞光導芯片由于阻值太小，無法直接與CMOS 低溫集成電子學電路進行互聯，而是通過引線將信號引到探測器組件外與室溫熱電子學進行連接。

寬幅成像儀中各波段碲鎘汞探測器的設計方案的歸納見表2。

表2 寬幅成像儀中各波段碲鎘汞探測器的設計方案Tab.2 Design schemes of the HgCdTe detectors for WSI

2 碲鎘汞探測器性能測試方法與結果

2.1 碲鎘汞光伏器件的測試方法

碲鎘汞光伏器件的性能測試主要包括3 部分內容：1）器件的電流—電壓曲線；2）器件的響應光譜；3）器件的響應率、噪聲和探測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 的源表進行測試，在芯片兩端施加一變化的電壓，然后測試通過芯片的電流，對于碲鎘汞光伏器件，兩端施加的變化電壓范圍通常為-0.5～0.5 V。器件的響應光譜通常采用傅里葉變換紅外（FTIR）光譜儀來進行測試，干涉光源從傅里葉光譜儀引出后入射到探測器像元上，利用采樣保持得到干涉信號，干涉信號經放大后返回到光譜儀主機，然后經傅里葉變換得到器件的響應光譜圖，測試原理如圖14 所示。

圖14 碲鎘汞光伏器件FTIR 光譜測試圖Fig.14 Diagram of the FTIR spectrum measurement by the HgCdTe photovoltaic detectors

通過該光譜圖可以得到器件響應的峰值波長、截止波長以及峰值響應G因子（即峰值響應率與黑體響應率的比值）［11］。

器件的響應率通常采用黑體測試得到［12］，測試在一定條件下入射黑體產生的響應信號，然后除以計算得到的黑體入射功率即可得到器件的黑體響應率。同樣條件下對黑體信號進行遮擋后可以測量得到器件的噪聲，然后結合黑體響應率計算可得到器件的黑體探測率。再結合響應光譜測試結果可以計算得到器件的光譜探測率。光伏器件的黑體響應率和探測率的測試原理如圖15 所示，對于短波器件黑體溫度取900 K，對于中波器件黑體溫度取500 K。調制盤調制頻率取1 000 Hz，噪聲測試帶寬取100 Hz。

圖15 碲鎘汞光伏器件的信號和噪聲測試原理Fig.15 Diagram of the signal and noise measurement by the HgCdTe photovoltaic detectors

2.1 碲鎘汞光導器件的測試方法

碲鎘汞光導器件的性能測試同樣包括3 部分內容：1）器件的阻值；2）器件的響應光譜；3）器件的響應率、噪聲和探測率以及像元之間的電串音。器件的阻值通常采用高精度萬用表來直接讀數測量。光導器件的響應光譜測試與光伏器件基本相同，主要差別在于光導器件需要增加一偏流源以給光導器件施加偏置電流，如圖16 所示。

圖16 碲鎘汞光導器件FTIR 光譜測試圖Fig.16 Diagram of the FTIR spectrum measurement by the HgCdTe photoconductors

與光伏器件類似，光導器件的響應率通常也是采用黑體測試得到，測試在一定條件下入射黑體產生的響應信號，然后除以計算得到的黑體入射功率即可得到器件的黑體響應率。根據碲鎘汞器件阻值較小的特點，通常對其采用電流源恒定偏置電流測試方法，器件接收到紅外輻射信號后電阻會發生變化，繼而引起兩端電壓的變化，通過對這一變化電壓的測量可以得到器件的響應信號。由于器件的阻值變化很小（通常為原阻值的十萬分之幾），對這一電壓信號的測量必須采用交流方法，即對入射黑體輻射進行一定頻率的調制，然后采用鎖相放大器對同樣頻率的電壓信號進行測量。同樣條件下，對黑體信號進行遮擋后可以測量得到器件的噪聲，整個測試過程原理如圖17 所示。調制盤調制頻率取1 000 Hz，噪聲測試帶寬取100 Hz。

圖17 碲鎘汞光導器件的信號和噪聲測試原理圖Fig.17 Diagram of the signal and noise measurement by the HgCdTe photoconductive detectors

相鄰像元之間的電串音需要進行測試，測試方法是對一個像元施加一個1 mA 的交流信號，然后測相鄰元的信號大小，兩者相比得到兩個像元之間的電串音。

2.2 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以上測試方法在芯片研制過程完成后對其性能進行了測試，均能滿足項目任務書指標要求。以下僅給出器件的響應光譜和探測率性能。短波組件三波段碲鎘汞光伏探測器的響應光譜和探測率性能如圖18 和圖19 所示。中波組件三波段探測器的響應光譜和探測率性能如圖20、圖21 和圖22 所示。中長波組件兩波段光導探測器的響應光譜和探測率性能如圖23 和圖24 所示。

圖18 短波組件三波段碲鎘汞光伏探測器的響應光譜Fig.18 Responsive spectra of the SW HgCdTe photovoltaic detectors

圖19 短波組件三波段碲鎘汞光伏探測器組件的探測率Fig.19 Detectivity of the SW HgCdTe photovoltaic detectors

圖20 中波組件三波段碲鎘汞探測器的響應光譜Fig.20 Responsive spectra of the MW HgCdTe photovoltaic detectors

圖21 中波組件MV 波段碲鎘汞光伏探測器的探測率Fig.21 Detectivity of the MV HgCdTe photovoltaic detectors

圖22 中波組件MC1 和MC2 波段碲鎘汞光導探測器的探測率Fig.22 Detectivity of the MW HgCdTe photoconductive detectors

圖23 長波組件兩波段碲鎘汞光導探測器的響應光譜Fig.23 Responsive spectra of the LW HgCdTe photovoltaic detectors

圖24 長波組件L1 和L2 波段碲鎘汞光導探測器的探測率Fig.24 Detectivity of the LW HgCdTe photoconductive detectors

3 DQ-1 WSI 碲鎘汞芯片性能與國外相似類型航天載荷芯片性能對比

WSI 載荷的碲鎘汞紅外探測器技術繼承自風云系列氣象衛星［13］［14］，與WSI 載荷在功能和探測波段方面有相似性的國外航天載荷包括美國的MODIS［15］、VIIRS［16］、GOES［17］以及其他相關載荷［18］，其中MODIS 和VIRRS 所采用的碲鎘汞紅外波段探測器由美國Raytheon 公司（前身為Santa Barbara Research Center，SBRC）提供［19］，GOES 所采用的碲鎘汞紅外探測器由BAE 公司（前身為Loral Infrared &Imaging Systems，Lockheed Martin IR Imaging Systems）提供。由于有的載荷碲鎘汞器件資料幾乎沒有公開報道，下面首先對文獻中報道過的與WSI 載荷類似波段碲鎘汞器件的性能進行歸納，然后將其與WSI載荷中碲鎘汞器件的性能進行對比。

3.1 國外相關載荷碲鎘汞芯片性能

對于碲鎘汞光伏芯片來說，影響探測率性能的主要參數為量子效率和R0A因子（即零偏電阻R0與結區面積A的乘積）。表3 中分別給出了文獻中查到的國外部分載荷短波碲鎘汞芯片的主要性能。

表3 國外相關載荷短波碲鎘汞光伏芯片性能Tab.3 Performance of abroad SW HgCdTe photovoltaic detectors

文獻［23］為SBRC 為某項目研制的中波碲鎘汞芯片性能，其截止波長為4.5 μm，工作溫度為80 K，文中提到芯片探測率優于1×1012cm·Hz1/2·W-1；WSI 中7.325 波段和8.55 波段采用了光導型碲鎘汞芯片，而MODIS 和VIIRS 載荷這兩個波段均采用光伏型碲鎘汞芯片，芯片性能沒有公開報道。GOESI-M 衛星中有類似的工作波段［24］，采用的是碲鎘汞光導型芯片，工作溫度為105 K，其探測率為1×1011cm·Hz1/2·W-1。對于長波波段，MODIS 和WSI 均采用了光導型碲鎘汞芯片，少許透露了MODIS 長波碲鎘汞芯片的性能［25］，其探測率可以達到1×1011cm·Hz1/2·W-1。

3.2 WSI 與國外類似載荷碲鎘汞芯片探測率性能對比

WSI 各個波段的碲鎘汞芯片與國外載荷型號類似波段碲鎘汞芯片的探測率性能對比，見表4。

表4 WSI 與國外類似載荷碲鎘汞芯片探測率對比Tab.4 Comparison of the detectivity of WSI HgCdTe detectors with that of abroad similar ones

由表可知，WSI 各個波段碲鎘汞芯片探測率性能與國外載荷類似波段所用的碲鎘汞芯片基本相當，對于長波光導芯片，考MODIS 長波器件的工作溫度為85 K，而WSI 的工作溫度為100 K，兩者的探測能力也基本相當。

4 結束語

自從2022 年4 月16 日首顆大氣環境監測衛星發射升空至今，寬幅成像儀載荷（WSI）已經成功開機在軌運行并得到了高精度紅外遙感數據，達到了儀器的設計目標，其中作為載荷眼睛的紅外探測器起到了不可或缺的重要作用，經過與國外類似型號碲鎘汞芯片進行比較，探測器的主要性能與國外相當。本文中針對載荷所采用的碲鎘汞紅外探測器芯片從探測器設計到探測器性能測試進行了介紹。作為一項航天工程任務，其最終成功需要各方面的協調配合，缺一不可。WSI 紅外探測器的組件研制涉及探測器芯片、低溫電子學電路以及與組件封裝有關的光學透鏡、濾光片、管殼等，最后完成集成組裝。當組件封裝完成以后，還需要進行一系列可靠性試驗工作。本文中對于這些相關內容不能一一羅列，在此對參與相關研制工作的同志一并表示感謝。