氣象衛(wèi)星最小的“千里眼”是怎樣煉成的？
——風云四號A星多通道掃描成像輻射計紅外探測器芯片研制回顧

李向陽，賈嘉

中國科學院上海技術(shù)物理研究所，上海 200083

多通道掃描成像輻射計可謂風云四號A星的“千里眼”，它也是迄今為止我國靜止軌道衛(wèi)星最先進的輻射成像儀，覆蓋了可見光至波長達13.8 μm的甚長波紅外波段，光譜通道增加到14個，能夠每15 min對東半球掃描一次，最高空間分辨率達到500 m?！皩τ?6 000 km高的靜止軌道，500 m精度意味著什么？相當于在幾公里之外放置幾盞燭光，任意時刻想要看哪個就能看哪個，而且看得清清楚楚?！憋L云四號衛(wèi)星系統(tǒng)總設(shè)計師董瑤海這樣說[1]。

風云四號(FY-4)A星是我國靜止軌道(GEO)氣象衛(wèi)星從第一代(風云二號)向第二代跨越的首發(fā)星，于2016年12月11日發(fā)射，其正式交付標志著我國靜止軌道氣象衛(wèi)星觀測系統(tǒng)實現(xiàn)了更新?lián)Q代(圖1)。作為新一代靜止軌道定量遙感氣象衛(wèi)星，F(xiàn)Y-4衛(wèi)星的功能和性能實現(xiàn)了跨越式發(fā)展。衛(wèi)星的輻射成像通道由FY-2G星的5個增加為14個，覆蓋了可見光、短波紅外、中波紅外和長波紅外等波段，接近歐美第三代靜止軌道氣象衛(wèi)星的16個通道。星上輻射定標精度0.5 K、靈敏度0.2 K，與歐美第三代靜止軌道氣象衛(wèi)星水平相當[2]。中國工程院院士許健民這樣評價FY-4四大“神器”之一的多通道掃描成像輻射計：其可見光通道最高空間分辨率達到500 m，最快每1 min生成一次區(qū)域觀測圖像；首次實現(xiàn)了我國靜止軌道閃電成像觀測，創(chuàng)下的多個第一，使它成為了我國氣象衛(wèi)星界的實力擔當[1]。正是由于與風云二號相比，風云四號A星的觀測時間分辨率提高了1倍，空間分辨率提高了6倍，使得風云四號A星掃描成像輻射計的研制也遇到了許多前所未有的問題和困難。本文就介紹了被譽為掃描成像輻射計“眼睛”的重要元部件——紅外探測器芯片的技術(shù)攻關(guān)和研制過程。

圖1 FY-4衛(wèi)星在軌狀態(tài)[2]

1 紅外光探測和我國多通道掃描成像輻射計簡介

紅外光也叫紅外線，是一位英國科學家發(fā)現(xiàn)的。1800年，赫歇爾(圖2)在研究太陽光時，讓光通過棱鏡分解為彩色光帶，并用溫度計去測量光帶中不同顏色光所含的熱量。實驗中，他偶然發(fā)現(xiàn)，放在光帶紅光外的一支溫度計比室內(nèi)其他溫度計指示的數(shù)值高。經(jīng)過反復(fù)實驗，他宣布太陽發(fā)出的輻射中除可見光線外，還有一種人眼看不見的“熱線”，這種人的肉眼看不見的“熱線”位于紅色光外側(cè)，叫做紅外線。

圖2 英國物理學家威廉姆·赫歇爾(1738—1822)

紅外線是一種電磁波，具有與無線電波及可見光一樣的本質(zhì)(圖3)。紅外線的波長在0.76～100 μm之間，位于無線電波與可見光之間。通常紅外線按波長可進行簡單分類，比如近紅外、短波紅外、中波紅外、熱紅外、遠紅外等。

為什么要在地球外的太空中配置觀測人眼看不到的紅外光的儀器呢？這是由于紅外線除了熱作用強以外，穿透云霧的能力也比較強。利用靈敏的紅外探測器可以在很遠的距離以外探測物體發(fā)出的紅外線，再經(jīng)儀器的處理，就可以顯示出被測物體的形狀和特征，這叫做紅外遙感。利用衛(wèi)星進行紅外遙感，可以實施對地球的勘測，如尋找水源、監(jiān)視森林火災(zāi)、估測大面積農(nóng)作物的長勢和收成，以及天氣預(yù)報，尤其是對風暴、寒潮和沙塵暴等的預(yù)報。而多通道掃描成像輻射計這個“千里眼”之所以能夠“看到”紅外光，是因為它有一個專門對紅外線敏感的“眼睛”，人們通常把這種對紅外光敏感的元件叫做紅外探測器。紅外探測器就是能夠把入射的微弱紅外光轉(zhuǎn)換為電子線路可以測量的電信號的光電轉(zhuǎn)換器件。它與人們熟悉的太陽能電池有著相似之處，它們的任務(wù)都是把光轉(zhuǎn)變?yōu)殡?。但是，太陽能電池主要對可見光敏感，而紅外探測器的敏感對象是紅外光。掃描成像輻射計的紅外探測器的工作機理是利用了紅外光子與探測器物質(zhì)中的電子相互作用的原理，我們把這種探測器稱為紅外光子探測器。在這些過程中，由于不同波長的紅外光子具有不同的光子能量，對于某一特定的物質(zhì)，存在著一個特定的紅外波長，如果紅外光波長大于這一波長，光子與物質(zhì)相互作用的程度較弱，因此無法探測。這一特定波長就叫做探測器的響應(yīng)截止波長λc。因此，紅外光子探測器一般都工作在特定的波段。由于光子探測器與熱探測器相比較，其對紅外的敏感度優(yōu)值(稱為探測率D*)比較高，通常被用于需要高靈敏探測的紅外遙感儀器中。

圖3 電磁波譜

那么中國有沒有紅外遙感儀器？當然有。僅在氣象衛(wèi)星的平臺上，我們就有“風云一號掃描輻射計”和“風云二號掃描輻射計”兩個系列的遙感儀器。我國的科技工作者自力更生、艱苦奮斗，研制的儀器設(shè)備的性能達到并部分超過了國外同類儀器水平。其中風云一號的FY-1C和FY-1D被世界氣象組織列入了世界業(yè)務(wù)極軌氣象衛(wèi)星的行列，美國和歐洲、亞洲的多個國家建立了兼容接收中國FY-1C衛(wèi)星的衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)和相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理、應(yīng)用系統(tǒng)。中國為全世界的自然災(zāi)害監(jiān)測、環(huán)境研究作出了應(yīng)有的貢獻。我國于1988年9月首次發(fā)射太陽同步軌道試驗氣象衛(wèi)星“風云一號”?！帮L云一號”衛(wèi)星星體呈盒子形，星體兩側(cè)各有一塊太陽電池翼(圖4)，衛(wèi)星上裝有掃描輻射計(圖5)，它可以日夜觀測云層、陸地和海面溫度等。

圖4 風云一號衛(wèi)星

圖5 風云一號掃描輻射計

我國分別于1997年和2000年利用長征3號火箭從西昌衛(wèi)星基地發(fā)射了兩顆地球靜止氣象衛(wèi)星——風云二號A和風云二號B氣象衛(wèi)星。和FY-1系列氣象衛(wèi)星一樣，F(xiàn)Y-2衛(wèi)星數(shù)據(jù)也向國際用戶開放，衛(wèi)星數(shù)據(jù)可以被其他國家分享。FY-2氣象衛(wèi)星從空間實施對地球觀測，可以同時獲得可見光、熱紅外及水汽紅外圖像。經(jīng)一系列處理后，就得到了我們每天可以看到的中央氣象臺天氣預(yù)報中的云圖動畫(圖6)。

圖6 風云二號地球圓盤云圖

風云一號和風云二號都是氣象衛(wèi)星，都載有紅外/可見多波段掃描輻射計，那么它們有什么不同呢？細心的讀者已經(jīng)看到了，兩個系列的衛(wèi)星的軌道不同。一個是所謂太陽同步的極軌衛(wèi)星，即軌道經(jīng)過地球南北兩極，而另外一個衛(wèi)星是地球同步的。這樣，風云一號是可以全球觀察的，而風云二號是瞄準我國上空觀測的。之后我國預(yù)計發(fā)射的氣象衛(wèi)星，它們的編號繼續(xù)沿用這一方式，如奇數(shù)號的風云三號就是全球觀察的極軌衛(wèi)星，而偶數(shù)號的風云四號是赤道上空主要對準我國的地球同步衛(wèi)星。這兩種衛(wèi)星之間的優(yōu)勢是互補的。極軌衛(wèi)星因為軌道高度較低，對地面成像的分辨率可以做得較高，而對于地面上的同一點的觀測而言，同步衛(wèi)星的觀測時間間隔可以做得很短。

經(jīng)過多年技術(shù)的積累，在衛(wèi)星氣象應(yīng)用需求的推動下，我國已成功發(fā)射了三軸穩(wěn)定的第二代地球同步軌道氣象衛(wèi)星——風云四號的載荷平臺。三軸穩(wěn)定衛(wèi)星平臺為掃描成像輻射計提高掃描效率和實現(xiàn)局部區(qū)域的快速重復(fù)觀測提供了可能。風云四號氣象衛(wèi)星多通道掃描成像輻射計作為風云四號氣象衛(wèi)星的主要載荷之一，相對風云二號氣象衛(wèi)星多通道掃描成像輻射計在性能上有了較大的提高，主要體現(xiàn)在下面幾點：①探測波段數(shù)從5波段增加到了14波段；②地球圓盤圖成像時間從25 min縮短為15 min，全幀掃描效率從約5 % 提高到了約80 %； ③增加了小區(qū)域掃描觀測功能，區(qū)域掃描范圍可小至1 000 km×1 000 km，區(qū)域掃描時間可縮短至1 min內(nèi)，這將對區(qū)域性強災(zāi)害性天氣現(xiàn)象的實時監(jiān)測及過程研究起到重要作用；④空間分辨率、紅外溫度分辨率和可見、近紅外信噪比進一步提高； ⑤數(shù)據(jù)量化等級從6 bits和8 bits提高至10 bits[3]。

風云四號氣象衛(wèi)星多通道掃描成像輻射計的信息流過程如下：多通道掃描成像輻射計采用雙掃描鏡結(jié)合三反射光學系統(tǒng)、線列陣探測器獲取遙感數(shù)據(jù)。成像時東西與南北掃描鏡分別進行線性掃描和步進掃描，將來自地球景物的輻射反射至主光學系統(tǒng)，通過中繼光學系統(tǒng)將入射輻射分裂成可見光波段、近紅外波段和紅外波段。每個通道具體使用的光探測器類型和主要用途見表1。每個波段對應(yīng)的探測器將景物輻射轉(zhuǎn)換成電信號后放大，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換并緩存，通過背景和噪聲抑制、圖像配準、校正等處理，對數(shù)字量編碼后下傳地面?？蓪崿F(xiàn)常規(guī)全圓盤和針對突發(fā)性災(zāi)害天氣的高頻次、高靈敏度、小區(qū)域密集觀測，實現(xiàn)強對流天氣短臨預(yù)報和預(yù)警[4-5]。

圖7是風云四號氣象衛(wèi)星A星多通道掃描成像輻射計的第一套圖像。從第二張開始是風云四號輻射計拍攝的一些不同波段的圖，每一張圖代表一種單色光，但實際上其中的可見光只有前面的兩張，后面就是近紅外以及紅外的圖片。每一張圖片上面的一個像素點都可以推導出一個具體的溫度，跟實際溫度比，誤差小于1 K。這些單色圖還可以用來做合成，如果拿第一張、第二張和第四張合成會看到一張冰云圖，藍色的部分是冰云，溫度低于零度，而白色的就是普通的常溫云，把二者區(qū)分開來對天氣預(yù)報有很大的作用[6]。這就像青蛙的眼睛有4種感光細胞，即4種探測器，分別負責辨認不同波段的事物，看東西時先顯示出4種不同的感光底片，接著讓4張圖像重疊在一起，最后得到透明的立體圖像。下面就以風云四號氣象衛(wèi)星多通道掃描成像輻射計中使

用最多的碲鎘汞(HgCdTe)紅外探測器為例，對這一我國氣象衛(wèi)星中尺寸最小的紅外探測器芯片的技術(shù)攻關(guān)和研制過程作一回顧。

表1 風云四號氣象衛(wèi)星多通道掃描成像輻射計各通道用途和探測器組成[3]

圖7 風云四號A星多通道掃描成像輻射計第一套圖像

2 紅外碲鎘汞(HgCdTe)探測器的研制攻關(guān)

風云四號(FY-4)氣象衛(wèi)星掃描成像輻射計是FY-4氣象衛(wèi)星主要的有效載荷之一，有8個紅外通道，光譜波段分別為2.10～2.35 μm、3.5～4.0 μm、5.8～6.7 μm、6.9～7.3 μm、8.0～9.0 μm、10.3～11.3 μm、11.5～12.5 μm和13.2～13.8 μm，每個紅外通道實現(xiàn)了從FY-2掃描輻射計的單元探測器向多元線列探測器的跨越。探測器光敏元數(shù)量的增加就像從只能看到單幅圖像的眼睛變?yōu)榱恕皬?fù)眼”，探測器的每個光敏元就像復(fù)眼的每只小眼都自成體系并能單獨看東西，可以用這多個“小眼”構(gòu)成的眼睛更加清楚地看清這個地球。

如表1所示，風云四號(FY-4)掃描成像輻射計中短波和長波紅外以及水汽波段采用的都是碲鎘汞探測器，是把地球的紅外輻射信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柕年P(guān)鍵元件之一。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計的要求，紅外通道將分為3個組件，即：2.10～2.35 μm、3.5～4.0 μm兩個波段為IR1中短波雙通道組件；5.8～6.7 μm、6.9～7.3 μm兩個波段為IR2水汽雙通道組件；8.0～9.0 μm、10.3～11.3 μm、11.5～12.5 μm和13.2～13.8 μm 4個波段為IR3長波四通道組件。其中IR1組件內(nèi)的芯片為8元的光伏(PV)型探測器；IR2和IR3組件內(nèi)的芯片為4元的光導(PC)探測器。由于與風云二號相比，風云四號A星的觀測時間分辨率提高了1倍，空間分辨率提高了6倍，使得風云四號A星掃描成像輻射計的紅外探測器光敏元的尺寸只有56 μm×56 μm，這個尺度比人類一根頭發(fā)絲的直徑(60～90 μm)還要小，是迄今為止在研氣象衛(wèi)星任務(wù)中光敏元尺寸最小的芯片，因此使得原先一些不曾遇到的問題都顯現(xiàn)出來。

2.1 中短波光伏探測器的光敏面限制問題

FY-4掃描成像輻射計的中短波光伏探測器從根本上來說是一個由離子注入形成的P-N結(jié)光電二極管，其工作模式利用了光伏效應(yīng)——當半導體吸收信號光時，它會產(chǎn)生光電流，并形成一個電壓。光伏器件一般工作在零偏置的狀態(tài)下，是一種相對速度較快的探測器件。

2.1.1 光伏器件的光敏面擴大

短波紅外IR1探測器在研制過程中，發(fā)現(xiàn)實際的光響應(yīng)范圍比離子注入形成的光敏區(qū)要大許多，即在注入?yún)^(qū)之外的一定范圍內(nèi)也有光響應(yīng)。我們做了這樣一個實驗：用一個大小約為光敏元尺寸1/3的小光點對短波紅外芯片進行東西方向的掃描，發(fā)現(xiàn)點光源在接近光敏元的過程中靠電極區(qū)會出現(xiàn)雙峰信號，這兩個雙峰間的寬度大約與芯片光敏元的金電極寬度相當，如圖8所示。

由于FY-4掃描成像輻射計紅外探測器的光敏元尺寸很小，所以當器件的尺寸和擴散長度相當時，結(jié)區(qū)外圍的載流子側(cè)向擴散收集就不能被忽略了?；诠夥骷慕Y(jié)構(gòu)和工作機理，顯然當光點照射在結(jié)區(qū)的時候，激發(fā)的載流子能被結(jié)區(qū)收集到，形成可以被測量到的信號。當光點照射在結(jié)區(qū)外一個擴散長度的范圍內(nèi)，載流子仍能通過擴散到達結(jié)區(qū)，但載流子數(shù)目隨著距離的增大而迅速減少，這就是光伏器件在結(jié)區(qū)(定義的光敏元區(qū))外的側(cè)向載流子收集效應(yīng)。這就好比在泥地上挖個坑，不僅是落在坑里的雨水可以被收集到，落在離坑外足夠近的地方的雨水也可以滲透到坑里來一樣。當這個坑足夠大時，通過滲透到達坑里的雨水量就可以忽略不計，但當坑很小，雨又足夠大時，這部分雨水就不可忽略了。

從剛才的小光點掃描實驗結(jié)果看來，由于用離子注入工藝形成的碲鎘汞光伏器件在結(jié)構(gòu)和工藝上的原因，結(jié)區(qū)對外圍載流子擴散的側(cè)向收集效應(yīng)使它不可避免地存在光敏面擴大的問題，而且隨著列陣中探測器尺寸的不斷減小和探測器工作溫度的降低，結(jié)區(qū)的側(cè)向收集效應(yīng)越發(fā)顯現(xiàn)。由于FY-4掃描輻射成像輻射計是目前在研的項目中光敏元尺寸最小的，與器件的少子擴散長度已十分接近，因此這個問題就尤其突出。如果在有效光敏面面積擴大的條件下，仍用光敏元面積的設(shè)計值計算就會得到探測器性能的虛假提高；另外，考慮列陣中探測器之間的串音時，有效光敏面的面積擴大會導致元件之間串音，使列陣成像模糊。我們經(jīng)過多年的刻苦摸索，終于研制出了一種既與現(xiàn)有制備工藝兼容，又可以有效抑制光伏器件側(cè)向收集效應(yīng)的“保護環(huán)結(jié)構(gòu)”。

圖8 紅外光伏器件中點光源掃描實驗觀察到的光敏元擴大現(xiàn)象

2.1.2 保護環(huán)結(jié)構(gòu)

所謂保護環(huán)結(jié)構(gòu)，就是用離子注入法在p型襯底材料上形成常規(guī)n+-on-p型碲鎘汞光伏器件的同時，再在距光敏元邊界外一定距離的地方圍繞光敏區(qū)注入形成一個n型的環(huán)行結(jié)構(gòu)。我們先在室溫工作的短波碲鎘汞紅外光伏器件的常規(guī)結(jié)構(gòu)中增加了這種無偏壓的保護環(huán)的結(jié)構(gòu)，如圖9(a)所示。這種保護環(huán)類似于硅電路中的“溝阻”，被廣泛地運用于當今的硅電路設(shè)計中。我們對保護環(huán)在紅外碲鎘汞探測器中的作用進行了進一步的研究，發(fā)現(xiàn)增加保護環(huán)結(jié)構(gòu)確實可以在一定程度上降低由結(jié)區(qū)側(cè)向收集效應(yīng)所引起的有效光敏面面積擴大的問題：當光信號照射在光敏區(qū)外時，載流子通過擴散，運動到光敏區(qū)的n型邊界被結(jié)區(qū)吸收產(chǎn)生信號，同時由于保護環(huán)在結(jié)構(gòu)上實質(zhì)也是一個p-n結(jié)，所以光源激發(fā)的一部分載流子也會向這堵“墻”擴散而被吸收掉，但由于保護環(huán)上沒有電極引出，因此在外電路上這部分信號無法被測試到，起到了降低由p-n結(jié)側(cè)向收集效應(yīng)所產(chǎn)生的光敏面面積擴大的作用。顯然，當保護環(huán)的位置距離光敏元較遠(大于載流子的擴散長度)時，保護環(huán)幾乎起不到什么作用；只有當保護環(huán)的距離小于載流子的擴散長度時，保護環(huán)才能把擴散長度內(nèi)的部分信號(載流子)“搶”走，從而起到抑制光敏元收集效應(yīng)并限定光敏元有效光敏面面積的作用。

圖9 保護環(huán)結(jié)構(gòu)

因此，在FY-4掃描成像輻射計中短波紅外芯片的設(shè)計中，我們增加了這種保護環(huán)結(jié)構(gòu)，整機也利用類似2.1.1節(jié)中的小光點對短波2.1～2.35 μm與中波3.5～4.0 μm光伏芯片進行了掃描，在東西方向和南北方向上均獲得了較為滿意的掃描圖像，比較好地解決了光伏型探測器芯片由側(cè)向收集效應(yīng)引起的有效光敏元面積擴大的問題。

2.2 水汽光導探測器的有效視場偏窄問題

光導探測器從本質(zhì)上說就是一個電阻，外加一個恒定偏流，當半導體器件吸收信號光后，其電阻發(fā)生變化從而使其上的電壓發(fā)生變化。

2.2.1 光導芯片工藝的溝槽刻蝕工藝

在FY-4掃描輻射計光導探測器的初樣研制中，探測器安裝到整機后曾發(fā)現(xiàn)水汽波段的有效視場偏窄現(xiàn)象。經(jīng)排查，發(fā)現(xiàn)這個問題主要是由于FY-4掃描輻射計任務(wù)中紅外光導芯片在成型過程中對光敏元間離子束刻蝕溝槽工藝的深寬比(槽深和槽開口寬度的比值)要求比較高引起的。

離子束刻蝕是通過物理濺射功能進行加工的離子銑，是20世紀70年代發(fā)展起來的一種干法刻蝕工藝。其原理是把Ar之類的惰性氣體充入離子源放電室并使其電離形成等離子體，然后由柵極將離子呈線狀引出、加速、匯聚成一定能量的離子束進入工作室，射向和撞擊樣品表面需要去除的部分，產(chǎn)生彈性碰撞，其中一部分能量使原子或分子產(chǎn)生濺射，拋出樣品表面。離子束刻蝕就是利用其物理濺射效應(yīng)，使材料的原子層連續(xù)銑削，從而把掩膜圖形拷貝到基底上。由于離子束可控的準直性和均勻性，離子束刻蝕機被廣泛地應(yīng)用于現(xiàn)代微電子器件、微光學器件和微光電子器件的制作工藝中。離子束刻蝕機的核心部分就是發(fā)射出離子束的離子源。國內(nèi)應(yīng)用最廣泛的雙柵考夫曼刻蝕機的離子源機構(gòu)示意圖見圖10[7]。雙柵考夫曼刻蝕機采用考夫曼離子源，由屏柵和加速柵組成雙柵離子光學系統(tǒng)。

FY-4掃描輻射計光導芯片的光敏元尺寸只有56 μm×56 μm，而目前我們物理離子束刻蝕的最大深寬比大約為1。實際刻蝕水汽波段光導芯片深度為10 μm、設(shè)計值為8 μm寬的溝槽，最后成型的光敏面間的上表面間隙為10～12 μm，如圖11所示，使光敏元實際的有效面積減小了33%。但光敏元間縫隙中的碲鎘汞刻蝕不干凈會造成光敏元間的串音，所以我們著手在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上進行試驗改進。

圖10 雙柵考夫曼離子源機構(gòu)示意圖

圖11 FY-4掃描輻射計光導芯片刻蝕工藝示意圖

2.2.2 三柵離子源的運用

為實現(xiàn)碲鎘汞光敏元列陣的有效隔離并達到高的深寬比，工藝人員進行了離子束刻蝕碲鎘汞溝槽的工藝研究，隨后一種名為三柵離子源的結(jié)構(gòu)引起了研究人員的關(guān)注。三柵的考夫曼離子源在加速柵后面還設(shè)置第三個柵極作為減速柵，這個增加的第三個柵極電位為零，可以把減速場完全限制在加速柵和減速柵之間的Ld范圍內(nèi)，如圖12所示[7]。增加減速柵后，減速場的長度大大縮減，離子一旦進入減速柵孔即轉(zhuǎn)入直線運動，不再增加束散角，因而離子束準直性優(yōu)于雙柵離子源。不少文獻都給出了三柵離子光學具體的理論計算及結(jié)構(gòu)設(shè)計[8-11]。

研究發(fā)現(xiàn)三柵離子源相對于常規(guī)的雙柵離子源確實具有相對小的束散角，因此能獲得深寬比更大的刻蝕槽，且隨著刻蝕槽寬的減小，三柵離子源的效果越顯著，如圖13所示。在國產(chǎn)的刻蝕機上用三柵離子源進行實際工藝驗證，刻蝕設(shè)計值為6 μm的槽寬時，其深寬比達到了2以上。這個值比報道[12]的用某些進口誘導耦合離子增強型反應(yīng)離子刻蝕(ICP-RIE)機刻蝕的碲鎘汞溝槽的深寬比還要大。如圖13所示，從三柵離子源和常規(guī)雙柵離子源刻蝕后的SEM圖像來看，圖13(a)常規(guī)雙柵離子源的刻槽輪廓呈U形，槽底部的形狀近似半圓，而圖13(b)三柵離子源的刻槽輪廓呈倒梯形，大大提高了碲鎘汞刻蝕溝槽的深寬比，從而比較完美地解決了水汽波段光導芯片研制過程中的有效視場偏窄的問題。把該工藝的研究成果推廣到FY-4掃描輻射計其他波段的光導芯片成型工藝中，也取得了很好的效果。

圖13 兩種離子源刻蝕3小時后的SEM圖像

2.3 長波光導探測器的高性能高要求問題

如前所述，整個紅外8個波段的碲鎘汞芯片分成IR1～IR3共3個組件，分別封裝在3個管殼中，其中8.0～9.0 μm、10.3～11.3 μm、11.5～12.5 μm和13.2～13.8 μm 4個波段為IR3長波四通道組件。同IR1中短波雙通道組件以及IR2水汽雙通道組件一樣，IR3長波四通道組件對每一個波段的探測器芯片有探測率D*的要求、各光敏元間的響應(yīng)不均勻要求和光譜響應(yīng)要求。除此之外，由于這個IR3管殼中要裝下4個波段的芯片，如果仍采用一個芯片對應(yīng)一個波段探測的方案，那在同一個管殼中要裝下4個獨立的芯片是很困難的，所以在IR3組件中我們最終使用10.3～11.3 μm與11.5～12.5 μm兩個波段相近的通道在同一片材料上制備成一體的雙通道芯片，而8.0～9.0 μm和13.2～13.8 μm兩個相差較大的通道仍分別使用兩個單獨成型的芯片進行探測，這樣的結(jié)構(gòu)給原來性能要求就很高的長波探測器增加了許多難度。

2.3.1 探測率D＊

探測器的探測率D*是衡量探測器質(zhì)量優(yōu)劣的主要參數(shù)，也是探測儀器設(shè)計者作為設(shè)計的重要依據(jù)。根據(jù)現(xiàn)有的工藝基礎(chǔ)和芯片制備經(jīng)驗來看，此次FY-4掃描輻射計紅外探測器，各波段芯片的性能要求都是相當高的，特別是對長波光導探測器來說更是如此。

根據(jù)探測器性能的背景極限(BLIP，即理論最大值)的計算公式：

其中，η為探測器的量子效率(η理想值為1，一般η約為0.8)，φB為背景通量密度。在探測器光敏面光錐角θ=180°、背景溫度TB=300 K的條件下，計算得到的IR3長波四通道組件各波段探測器的理論背景極限值見表2。

這次FY-4掃描輻射計探測器的長波光導探測器四個波段的性能指標都已經(jīng)接近或達到該波段的背景限，對比一下以往已經(jīng)發(fā)射的FY-2掃描輻射計長波探測器的性能指標，這次項目的性能指標是非常高的。而要進一步提高長波探測器的性能則是一個系統(tǒng)工程：首先，需要進一步提高材料的性能，延長載流子的壽命；其次，還要進一步改善表面增透和鈍化工藝，有效增加入射光的透過率并降低探測器表面的復(fù)合速度，進一步解決好電極歐姆接觸等一系列問題，才能有望使探測器性能得到進一步提高；最后還要通過增加投片量，多流片，才能獲得滿足性能要求的長波探測器芯片。

表2 長波各波段探測器的理論背景極限(TB=300 K)

2.3.2 系統(tǒng)光譜響應(yīng)要求

除了長波組件的高性能D*要求以外，系統(tǒng)還對探測器的光譜響應(yīng)有很高的要求，見圖14。各通道的器件響應(yīng)光譜均要求在定量化的內(nèi)外光譜響應(yīng)限(紅色和藍色的曲線)內(nèi)，而實際器件一般的光譜呈一“∧”狀，存在一個對光響應(yīng)最強的峰值波長λp，在峰值波長的兩側(cè)響應(yīng)逐漸減小。圖15是一個典型的碲鎘汞甚長波單元器件相對光譜響應(yīng)圖，其橫軸是波長，縱軸是歸一化的器件光譜響應(yīng)率(NormalizedR)。從圖中可以看到，該器件的峰值波長λp約在12.5 μm處，而在3.0～12.5 μm的范圍中，光譜響應(yīng)曲線以一定的斜率穩(wěn)步上升。可以想象，在這樣一個傾角較大的曲線中，要在10.3～11.3 μm與11.5～12.5 μm兩個波段中，使長波光導探測器4個光敏元的光譜響應(yīng)都仍落在圖14中紅色和藍色的內(nèi)外光譜框內(nèi)是十分困難的。

圖14 光譜響應(yīng)要求圖

圖15 典型的碲鎘汞甚長波單元器件光譜響應(yīng)圖

經(jīng)過我們科研人員10多年的不懈努力和探索，最終在2015年研制出了符合整機光譜要求的長波光導四波段探測器。圖16是研制成功的長波四波段組件在88 K溫度下的光譜圖。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)，各通道的帶內(nèi)光譜響應(yīng)均優(yōu)于99.7 %。

2.3.3 器件的響應(yīng)不均勻性

在FY-4掃描輻射計探測器的芯片性能指標中還有多元響應(yīng)不均勻性小于10 %的要求，即對于同一強度的光信號，一個探測器各光敏元的響應(yīng)信號的最大或最小值與平均值之差不可以大于10 %。這個要求對于長波光導器件是比較高的。從圖15甚長波4元器件光譜響應(yīng)圖和圖16長波四波段組件光譜圖形中可以看到，即使是相距很近的同一芯片上的4個光敏元的4根響應(yīng)光譜曲線也是存在一定差異的，這個差異就會導致4個光敏元的信號值存在大小差異，特別是對于波長越長的波段來說，這個要求越難達到。下面以13.2～13.8 μm的甚長波段為例加以說明。

圖16 長波四波段組件88 K光譜圖形

對于晶片尺寸通常在0.5英寸的碲鎘汞材料而言，由于碲鎘汞材料的組分X(碲、鎘、汞這三種材料的組成比例)的不同，容易引起探測器性能的一致性惡化。因此大面積均勻材料制備是響應(yīng)均勻的探測器最基本的關(guān)鍵技術(shù)之一?？梢杂嬎愠龅蜏叵马阪k汞材料組分X對截止波長λc(光譜響應(yīng)衰減到峰值波長λp處50 %的波長)的影響關(guān)系曲線，如圖17所示。

從以上的計算結(jié)果可以看出，如果要求探測器截止波長在13 μm附近的變化不超過0.5μm，則需要材料組分的變化不大于0.002。這對于一個截止波長在13 μm附近的(材料組分X約為0.2)碲鎘汞材料而言，在整個晶片12～15 mm的范圍內(nèi)達到偏差小于1 %要求，還是很高的。為了解決器件最終均勻性優(yōu)于10 %的問題，我們從材料的均勻性、器件減薄拋光和薄膜工藝的均勻性三個方面著手解決。

圖17 低溫下材料組分對截止波長的影響關(guān)系曲線

首先，我們采用坩堝加速旋轉(zhuǎn)技術(shù)(accelerated crucible rotation technique，縮寫為ACRT)生長出了優(yōu)質(zhì)的晶片材料，晶片的橫向組分均勻性可以得到改善，較好的晶片橫向組分均勻性能夠達到0.002，個別的甚至在0.001以內(nèi)。所謂ACRT就是利用坩堝加速旋轉(zhuǎn)的方式控制材料生長，也就是在晶體生長坩堝垂直移動的同時，進行坩堝的水平旋轉(zhuǎn)，以促進溶質(zhì)的運動，控制晶體生長的固液界面的形狀，以達到晶體生長組分橫向均勻的效果。

其次，在材料研制后，還要進行材料的均勻性篩選工作。也就是通過增加晶片透過曲線的微區(qū)面分布測量，判斷材料的橫向組分均勻性，剔除差別較大者，優(yōu)選組分均勻材料。因此在器件研制方面，要重點關(guān)注材料的減薄和拋光工藝對器件均勻性的影響。要求同一片晶片材料減薄的厚度均勻性也要達到10 %以內(nèi)，這樣才可以保證器件的均勻性要求。

最后，探測器的表面鈍化膜、電極以及刻蝕等薄膜工藝對于器件的均勻性也有一定影響，需要注重整個器件工藝的各個細節(jié)，才可以保證最終探測器各元之間的均勻性符合要求。

3 結(jié)語

風云四號氣象衛(wèi)星多通道掃描成像輻射計相比正在運行的風云二號氣象衛(wèi)星多通道掃描輻射計在通道數(shù)和輻射分辨率指標方面均有大幅度提高。這個與多通道掃描成像輻射計的核心部件——紅外探測器研制水平的大幅提升是密不可分的。這個不僅體現(xiàn)在紅外通道的數(shù)量從風云二號改進型的4個增加到了風云四號的8個和對探測率D*的高要求以及探測器的波長已經(jīng)延伸到了13.8μm的甚長波紅外波段，更體現(xiàn)在了探測器芯片的光敏元尺寸和數(shù)量上。以光敏元尺寸為例，風云二號掃描成像輻射計紅外芯片的光敏元尺寸為82 μm×82 μm，而風云四號的僅為56 μm×56μm。光敏元尺寸的減小給我們帶來了從未有過的挑戰(zhàn)，遇到了許多新現(xiàn)象、新問題，比如：光伏探測器的光敏面擴大問題和光導探測器的溝槽刻蝕問題等。我們的紅外探測器研制人員，面對這許多困難，繼承和發(fā)揚了老一輩航天人刻苦鉆研、敢打硬仗的作風和“實干見物”的精神，經(jīng)過10多年的不斷摸索和攻關(guān)，終于圓滿地完成了風云四號掃描成像輻射計的紅外探測器研制任務(wù)，器件性能完全滿足系統(tǒng)要求，部分性能大幅超過任務(wù)書規(guī)定的指標，從而使新一代靜止軌道定量遙感氣象衛(wèi)星——風云四號A星觀測系統(tǒng)實現(xiàn)了功能和性能上的跨越式發(fā)展，躋身于國際先進遙感氣象衛(wèi)星的行列之中。

作為從事紅外探測器研究的科研人員，能為國家和民族的航天遙感事業(yè)作出一份自己應(yīng)有的貢獻，我們都感到無比自豪和驕傲。相信通過我們的不懈努力和拼搏，今后一定會為祖國的天氣預(yù)報與預(yù)警、災(zāi)害及環(huán)境監(jiān)測和空間天氣等研究領(lǐng)域畫上濃墨重彩的一筆。

(2017年11月30日收稿)■

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