气象卫星最小的“千里眼”是怎样炼成的？——风云四号A星多通道扫描成像辐射计红外探测器芯片研制回顾

李向阳，贾嘉

中国科学院上海技术物理研究所，上海 200083

多通道扫描成像辐射计可谓风云四号A星的“千里眼”，它也是迄今为止我国静止轨道卫星最先进的辐射成像仪，覆盖了可见光至波长达13.8 μm的甚长波红外波段，光谱通道增加到14个，能够每15 min对东半球扫描一次，最高空间分辨率达到500 m。“对于36 000 km高的静止轨道，500 m精度意味着什么？相当于在几公里之外放置几盏烛光，任意时刻想要看哪个就能看哪个，而且看得清清楚楚。”风云四号卫星系统总设计师董瑶海这样说[1]。

风云四号(FY-4)A星是我国静止轨道(GEO)气象卫星从第一代(风云二号)向第二代跨越的首发星，于2016年12月11日发射，其正式交付标志着我国静止轨道气象卫星观测系统实现了更新换代(图1)。作为新一代静止轨道定量遥感气象卫星，FY-4卫星的功能和性能实现了跨越式发展。卫星的辐射成像通道由FY-2G星的5个增加为14个，覆盖了可见光、短波红外、中波红外和长波红外等波段，接近欧美第三代静止轨道气象卫星的16个通道。星上辐射定标精度0.5 K、灵敏度0.2 K，与欧美第三代静止轨道气象卫星水平相当[2]。中国工程院院士许健民这样评价FY-4四大“神器”之一的多通道扫描成像辐射计：其可见光通道最高空间分辨率达到500 m，最快每1 min生成一次区域观测图像；首次实现了我国静止轨道闪电成像观测，创下的多个第一，使它成为了我国气象卫星界的实力担当[1]。正是由于与风云二号相比，风云四号A星的观测时间分辨率提高了1倍，空间分辨率提高了6倍，使得风云四号A星扫描成像辐射计的研制也遇到了许多前所未有的问题和困难。本文就介绍了被誉为扫描成像辐射计“眼睛”的重要元部件——红外探测器芯片的技术攻关和研制过程。

图1 FY-4卫星在轨状态[2]

1 红外光探测和我国多通道扫描成像辐射计简介

红外光也叫红外线，是一位英国科学家发现的。1800年，赫歇尔(图2)在研究太阳光时，让光通过棱镜分解为彩色光带，并用温度计去测量光带中不同颜色光所含的热量。实验中，他偶然发现，放在光带红光外的一支温度计比室内其他温度计指示的数值高。经过反复实验，他宣布太阳发出的辐射中除可见光线外，还有一种人眼看不见的“热线”，这种人的肉眼看不见的“热线”位于红色光外侧，叫做红外线。

图2 英国物理学家威廉姆·赫歇尔(1738—1822)

红外线是一种电磁波，具有与无线电波及可见光一样的本质(图3)。红外线的波长在0.76～100 μm之间，位于无线电波与可见光之间。通常红外线按波长可进行简单分类，比如近红外、短波红外、中波红外、热红外、远红外等。

为什么要在地球外的太空中配置观测人眼看不到的红外光的仪器呢？这是由于红外线除了热作用强以外，穿透云雾的能力也比较强。利用灵敏的红外探测器可以在很远的距离以外探测物体发出的红外线，再经仪器的处理，就可以显示出被测物体的形状和特征，这叫做红外遥感。利用卫星进行红外遥感，可以实施对地球的勘测，如寻找水源、监视森林火灾、估测大面积农作物的长势和收成，以及天气预报，尤其是对风暴、寒潮和沙尘暴等的预报。而多通道扫描成像辐射计这个“千里眼”之所以能够“看到”红外光，是因为它有一个专门对红外线敏感的“眼睛”，人们通常把这种对红外光敏感的元件叫做红外探测器。红外探测器就是能够把入射的微弱红外光转换为电子线路可以测量的电信号的光电转换器件。它与人们熟悉的太阳能电池有着相似之处，它们的任务都是把光转变为电。但是，太阳能电池主要对可见光敏感，而红外探测器的敏感对象是红外光。扫描成像辐射计的红外探测器的工作机理是利用了红外光子与探测器物质中的电子相互作用的原理，我们把这种探测器称为红外光子探测器。在这些过程中，由于不同波长的红外光子具有不同的光子能量，对于某一特定的物质，存在着一个特定的红外波长，如果红外光波长大于这一波长，光子与物质相互作用的程度较弱，因此无法探测。这一特定波长就叫做探测器的响应截止波长λc。因此，红外光子探测器一般都工作在特定的波段。由于光子探测器与热探测器相比较，其对红外的敏感度优值(称为探测率D*)比较高，通常被用于需要高灵敏探测的红外遥感仪器中。

图3 电磁波谱

那么中国有没有红外遥感仪器？当然有。仅在气象卫星的平台上，我们就有“风云一号扫描辐射计”和“风云二号扫描辐射计”两个系列的遥感仪器。我国的科技工作者自力更生、艰苦奋斗，研制的仪器设备的性能达到并部分超过了国外同类仪器水平。其中风云一号的FY-1C和FY-1D被世界气象组织列入了世界业务极轨气象卫星的行列，美国和欧洲、亚洲的多个国家建立了兼容接收中国FY-1C卫星的卫星数据接收系统和相应的数据处理、应用系统。中国为全世界的自然灾害监测、环境研究作出了应有的贡献。我国于1988年9月首次发射太阳同步轨道试验气象卫星“风云一号”。“风云一号”卫星星体呈盒子形，星体两侧各有一块太阳电池翼(图4)，卫星上装有扫描辐射计(图5)，它可以日夜观测云层、陆地和海面温度等。

图4 风云一号卫星

图5 风云一号扫描辐射计

我国分别于1997年和2000年利用长征3号火箭从西昌卫星基地发射了两颗地球静止气象卫星——风云二号A和风云二号B气象卫星。和FY-1系列气象卫星一样，FY-2卫星数据也向国际用户开放，卫星数据可以被其他国家分享。FY-2气象卫星从空间实施对地球观测，可以同时获得可见光、热红外及水汽红外图像。经一系列处理后，就得到了我们每天可以看到的中央气象台天气预报中的云图动画(图6)。

图6 风云二号地球圆盘云图

风云一号和风云二号都是气象卫星，都载有红外/可见多波段扫描辐射计，那么它们有什么不同呢？细心的读者已经看到了，两个系列的卫星的轨道不同。一个是所谓太阳同步的极轨卫星，即轨道经过地球南北两极，而另外一个卫星是地球同步的。这样，风云一号是可以全球观察的，而风云二号是瞄准我国上空观测的。之后我国预计发射的气象卫星，它们的编号继续沿用这一方式，如奇数号的风云三号就是全球观察的极轨卫星，而偶数号的风云四号是赤道上空主要对准我国的地球同步卫星。这两种卫星之间的优势是互补的。极轨卫星因为轨道高度较低，对地面成像的分辨率可以做得较高，而对于地面上的同一点的观测而言，同步卫星的观测时间间隔可以做得很短。

经过多年技术的积累，在卫星气象应用需求的推动下，我国已成功发射了三轴稳定的第二代地球同步轨道气象卫星——风云四号的载荷平台。三轴稳定卫星平台为扫描成像辐射计提高扫描效率和实现局部区域的快速重复观测提供了可能。风云四号气象卫星多通道扫描成像辐射计作为风云四号气象卫星的主要载荷之一，相对风云二号气象卫星多通道扫描成像辐射计在性能上有了较大的提高，主要体现在下面几点：①探测波段数从5波段增加到了14波段；②地球圆盘图成像时间从25 min缩短为15 min，全帧扫描效率从约5 % 提高到了约80 %； ③增加了小区域扫描观测功能，区域扫描范围可小至1 000 km×1 000 km，区域扫描时间可缩短至1 min内，这将对区域性强灾害性天气现象的实时监测及过程研究起到重要作用；④空间分辨率、红外温度分辨率和可见、近红外信噪比进一步提高； ⑤数据量化等级从6 bits和8 bits提高至10 bits[3]。

风云四号气象卫星多通道扫描成像辐射计的信息流过程如下：多通道扫描成像辐射计采用双扫描镜结合三反射光学系统、线列阵探测器获取遥感数据。成像时东西与南北扫描镜分别进行线性扫描和步进扫描，将来自地球景物的辐射反射至主光学系统，通过中继光学系统将入射辐射分裂成可见光波段、近红外波段和红外波段。每个通道具体使用的光探测器类型和主要用途见表1。每个波段对应的探测器将景物辐射转换成电信号后放大，经A/D转换并缓存，通过背景和噪声抑制、图像配准、校正等处理，对数字量编码后下传地面。可实现常规全圆盘和针对突发性灾害天气的高频次、高灵敏度、小区域密集观测，实现强对流天气短临预报和预警[4-5]。

图7是风云四号气象卫星A星多通道扫描成像辐射计的第一套图像。从第二张开始是风云四号辐射计拍摄的一些不同波段的图，每一张图代表一种单色光，但实际上其中的可见光只有前面的两张，后面就是近红外以及红外的图片。每一张图片上面的一个像素点都可以推导出一个具体的温度，跟实际温度比，误差小于1 K。这些单色图还可以用来做合成，如果拿第一张、第二张和第四张合成会看到一张冰云图，蓝色的部分是冰云，温度低于零度，而白色的就是普通的常温云，把二者区分开来对天气预报有很大的作用[6]。这就像青蛙的眼睛有4种感光细胞，即4种探测器，分别负责辨认不同波段的事物，看东西时先显示出4种不同的感光底片，接着让4张图像重叠在一起，最后得到透明的立体图像。下面就以风云四号气象卫星多通道扫描成像辐射计中使

用最多的碲镉汞(HgCdTe)红外探测器为例，对这一我国气象卫星中尺寸最小的红外探测器芯片的技术攻关和研制过程作一回顾。

表1 风云四号气象卫星多通道扫描成像辐射计各通道用途和探测器组成[3]

图7 风云四号A星多通道扫描成像辐射计第一套图像

2 红外碲镉汞(HgCdTe)探测器的研制攻关

风云四号(FY-4)气象卫星扫描成像辐射计是FY-4气象卫星主要的有效载荷之一，有8个红外通道，光谱波段分别为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，每个红外通道实现了从FY-2扫描辐射计的单元探测器向多元线列探测器的跨越。探测器光敏元数量的增加就像从只能看到单幅图像的眼睛变为了“复眼”，探测器的每个光敏元就像复眼的每只小眼都自成体系并能单独看东西，可以用这多个“小眼”构成的眼睛更加清楚地看清这个地球。

如表1所示，风云四号(FY-4)扫描成像辐射计中短波和长波红外以及水汽波段采用的都是碲镉汞探测器，是把地球的红外辐射信号转变为电信号的关键元件之一。根据系统设计的要求，红外通道将分为3个组件，即：2.10～2.35 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、6.9～7.3 μm两个波段为IR2水汽双通道组件；8.0～9.0 μm、10.3～11.3 μm、11.5～12.5 μm和13.2～13.8 μm 4个波段为IR3长波四通道组件。其中IR1组件内的芯片为8元的光伏(PV)型探测器；IR2和IR3组件内的芯片为4元的光导(PC)探测器。由于与风云二号相比，风云四号A星的观测时间分辨率提高了1倍，空间分辨率提高了6倍，使得风云四号A星扫描成像辐射计的红外探测器光敏元的尺寸只有56 μm×56 μm，这个尺度比人类一根头发丝的直径(60～90 μm)还要小，是迄今为止在研气象卫星任务中光敏元尺寸最小的芯片，因此使得原先一些不曾遇到的问题都显现出来。

2.1 中短波光伏探测器的光敏面限制问题

FY-4扫描成像辐射计的中短波光伏探测器从根本上来说是一个由离子注入形成的P-N结光电二极管，其工作模式利用了光伏效应——当半导体吸收信号光时，它会产生光电流，并形成一个电压。光伏器件一般工作在零偏置的状态下，是一种相对速度较快的探测器件。

2.1.1 光伏器件的光敏面扩大

短波红外IR1探测器在研制过程中，发现实际的光响应范围比离子注入形成的光敏区要大许多，即在注入区之外的一定范围内也有光响应。我们做了这样一个实验：用一个大小约为光敏元尺寸1/3的小光点对短波红外芯片进行东西方向的扫描，发现点光源在接近光敏元的过程中靠电极区会出现双峰信号，这两个双峰间的宽度大约与芯片光敏元的金电极宽度相当，如图8所示。

由于FY-4扫描成像辐射计红外探测器的光敏元尺寸很小，所以当器件的尺寸和扩散长度相当时，结区外围的载流子侧向扩散收集就不能被忽略了。基于光伏器件的结构和工作机理，显然当光点照射在结区的时候，激发的载流子能被结区收集到，形成可以被测量到的信号。当光点照射在结区外一个扩散长度的范围内，载流子仍能通过扩散到达结区，但载流子数目随着距离的增大而迅速减少，这就是光伏器件在结区(定义的光敏元区)外的侧向载流子收集效应。这就好比在泥地上挖个坑，不仅是落在坑里的雨水可以被收集到，落在离坑外足够近的地方的雨水也可以渗透到坑里来一样。当这个坑足够大时，通过渗透到达坑里的雨水量就可以忽略不计，但当坑很小，雨又足够大时，这部分雨水就不可忽略了。

从刚才的小光点扫描实验结果看来，由于用离子注入工艺形成的碲镉汞光伏器件在结构和工艺上的原因，结区对外围载流子扩散的侧向收集效应使它不可避免地存在光敏面扩大的问题，而且随着列阵中探测器尺寸的不断减小和探测器工作温度的降低，结区的侧向收集效应越发显现。由于FY-4扫描辐射成像辐射计是目前在研的项目中光敏元尺寸最小的，与器件的少子扩散长度已十分接近，因此这个问题就尤其突出。如果在有效光敏面面积扩大的条件下，仍用光敏元面积的设计值计算就会得到探测器性能的虚假提高；另外，考虑列阵中探测器之间的串音时，有效光敏面的面积扩大会导致元件之间串音，使列阵成像模糊。我们经过多年的刻苦摸索，终于研制出了一种既与现有制备工艺兼容，又可以有效抑制光伏器件侧向收集效应的“保护环结构”。

图8 红外光伏器件中点光源扫描实验观察到的光敏元扩大现象

2.1.2 保护环结构

所谓保护环结构，就是用离子注入法在p型衬底材料上形成常规n+-on-p型碲镉汞光伏器件的同时，再在距光敏元边界外一定距离的地方围绕光敏区注入形成一个n型的环行结构。我们先在室温工作的短波碲镉汞红外光伏器件的常规结构中增加了这种无偏压的保护环的结构，如图9(a)所示。这种保护环类似于硅电路中的“沟阻”，被广泛地运用于当今的硅电路设计中。我们对保护环在红外碲镉汞探测器中的作用进行了进一步的研究，发现增加保护环结构确实可以在一定程度上降低由结区侧向收集效应所引起的有效光敏面面积扩大的问题：当光信号照射在光敏区外时，载流子通过扩散，运动到光敏区的n型边界被结区吸收产生信号，同时由于保护环在结构上实质也是一个p-n结，所以光源激发的一部分载流子也会向这堵“墙”扩散而被吸收掉，但由于保护环上没有电极引出，因此在外电路上这部分信号无法被测试到，起到了降低由p-n结侧向收集效应所产生的光敏面面积扩大的作用。显然，当保护环的位置距离光敏元较远(大于载流子的扩散长度)时，保护环几乎起不到什么作用；只有当保护环的距离小于载流子的扩散长度时，保护环才能把扩散长度内的部分信号(载流子)“抢”走，从而起到抑制光敏元收集效应并限定光敏元有效光敏面面积的作用。

图9 保护环结构

因此，在FY-4扫描成像辐射计中短波红外芯片的设计中，我们增加了这种保护环结构，整机也利用类似2.1.1节中的小光点对短波2.1～2.35 μm与中波3.5～4.0 μm光伏芯片进行了扫描，在东西方向和南北方向上均获得了较为满意的扫描图像，比较好地解决了光伏型探测器芯片由侧向收集效应引起的有效光敏元面积扩大的问题。

2.2 水汽光导探测器的有效视场偏窄问题

光导探测器从本质上说就是一个电阻，外加一个恒定偏流，当半导体器件吸收信号光后，其电阻发生变化从而使其上的电压发生变化。

2.2.1 光导芯片工艺的沟槽刻蚀工艺

在FY-4扫描辐射计光导探测器的初样研制中，探测器安装到整机后曾发现水汽波段的有效视场偏窄现象。经排查，发现这个问题主要是由于FY-4扫描辐射计任务中红外光导芯片在成型过程中对光敏元间离子束刻蚀沟槽工艺的深宽比(槽深和槽开口宽度的比值)要求比较高引起的。

离子束刻蚀是通过物理溅射功能进行加工的离子铣，是20世纪70年代发展起来的一种干法刻蚀工艺。其原理是把Ar之类的惰性气体充入离子源放电室并使其电离形成等离子体，然后由栅极将离子呈线状引出、加速、汇聚成一定能量的离子束进入工作室，射向和撞击样品表面需要去除的部分，产生弹性碰撞，其中一部分能量使原子或分子产生溅射，抛出样品表面。离子束刻蚀就是利用其物理溅射效应，使材料的原子层连续铣削，从而把掩膜图形拷贝到基底上。由于离子束可控的准直性和均匀性，离子束刻蚀机被广泛地应用于现代微电子器件、微光学器件和微光电子器件的制作工艺中。离子束刻蚀机的核心部分就是发射出离子束的离子源。国内应用最广泛的双栅考夫曼刻蚀机的离子源机构示意图见图10[7]。双栅考夫曼刻蚀机采用考夫曼离子源，由屏栅和加速栅组成双栅离子光学系统。

FY-4扫描辐射计光导芯片的光敏元尺寸只有56 μm×56 μm，而目前我们物理离子束刻蚀的最大深宽比大约为1。实际刻蚀水汽波段光导芯片深度为10 μm、设计值为8 μm宽的沟槽，最后成型的光敏面间的上表面间隙为10～12 μm，如图11所示，使光敏元实际的有效面积减小了33%。但光敏元间缝隙中的碲镉汞刻蚀不干净会造成光敏元间的串音，所以我们着手在现有的基础上进行试验改进。

图10 双栅考夫曼离子源机构示意图

图11 FY-4扫描辐射计光导芯片刻蚀工艺示意图

2.2.2 三栅离子源的运用

为实现碲镉汞光敏元列阵的有效隔离并达到高的深宽比，工艺人员进行了离子束刻蚀碲镉汞沟槽的工艺研究，随后一种名为三栅离子源的结构引起了研究人员的关注。三栅的考夫曼离子源在加速栅后面还设置第三个栅极作为减速栅，这个增加的第三个栅极电位为零，可以把减速场完全限制在加速栅和减速栅之间的Ld范围内，如图12所示[7]。增加减速栅后，减速场的长度大大缩减，离子一旦进入减速栅孔即转入直线运动，不再增加束散角，因而离子束准直性优于双栅离子源。不少文献都给出了三栅离子光学具体的理论计算及结构设计[8-11]。

研究发现三栅离子源相对于常规的双栅离子源确实具有相对小的束散角，因此能获得深宽比更大的刻蚀槽，且随着刻蚀槽宽的减小，三栅离子源的效果越显著，如图13所示。在国产的刻蚀机上用三栅离子源进行实际工艺验证，刻蚀设计值为6 μm的槽宽时，其深宽比达到了2以上。这个值比报道[12]的用某些进口诱导耦合离子增强型反应离子刻蚀(ICP-RIE)机刻蚀的碲镉汞沟槽的深宽比还要大。如图13所示，从三栅离子源和常规双栅离子源刻蚀后的SEM图像来看，图13(a)常规双栅离子源的刻槽轮廓呈U形，槽底部的形状近似半圆，而图13(b)三栅离子源的刻槽轮廓呈倒梯形，大大提高了碲镉汞刻蚀沟槽的深宽比，从而比较完美地解决了水汽波段光导芯片研制过程中的有效视场偏窄的问题。把该工艺的研究成果推广到FY-4扫描辐射计其他波段的光导芯片成型工艺中，也取得了很好的效果。

图13 两种离子源刻蚀3小时后的SEM图像

2.3 长波光导探测器的高性能高要求问题

如前所述，整个红外8个波段的碲镉汞芯片分成IR1～IR3共3个组件，分别封装在3个管壳中，其中8.0～9.0 μm、10.3～11.3 μm、11.5～12.5 μm和13.2～13.8 μm 4个波段为IR3长波四通道组件。同IR1中短波双通道组件以及IR2水汽双通道组件一样，IR3长波四通道组件对每一个波段的探测器芯片有探测率D*的要求、各光敏元间的响应不均匀要求和光谱响应要求。除此之外，由于这个IR3管壳中要装下4个波段的芯片，如果仍采用一个芯片对应一个波段探测的方案，那在同一个管壳中要装下4个独立的芯片是很困难的，所以在IR3组件中我们最终使用10.3～11.3 μm与11.5～12.5 μm两个波段相近的通道在同一片材料上制备成一体的双通道芯片，而8.0～9.0 μm和13.2～13.8 μm两个相差较大的通道仍分别使用两个单独成型的芯片进行探测，这样的结构给原来性能要求就很高的长波探测器增加了许多难度。

2.3.1 探测率D＊

探测器的探测率D*是衡量探测器质量优劣的主要参数，也是探测仪器设计者作为设计的重要依据。根据现有的工艺基础和芯片制备经验来看，此次FY-4扫描辐射计红外探测器，各波段芯片的性能要求都是相当高的，特别是对长波光导探测器来说更是如此。

根据探测器性能的背景极限(BLIP，即理论最大值)的计算公式：

其中，η为探测器的量子效率(η理想值为1，一般η约为0.8)，φB为背景通量密度。在探测器光敏面光锥角θ=180°、背景温度TB=300 K的条件下，计算得到的IR3长波四通道组件各波段探测器的理论背景极限值见表2。

这次FY-4扫描辐射计探测器的长波光导探测器四个波段的性能指标都已经接近或达到该波段的背景限，对比一下以往已经发射的FY-2扫描辐射计长波探测器的性能指标，这次项目的性能指标是非常高的。而要进一步提高长波探测器的性能则是一个系统工程：首先，需要进一步提高材料的性能，延长载流子的寿命；其次，还要进一步改善表面增透和钝化工艺，有效增加入射光的透过率并降低探测器表面的复合速度，进一步解决好电极欧姆接触等一系列问题，才能有望使探测器性能得到进一步提高；最后还要通过增加投片量，多流片，才能获得满足性能要求的长波探测器芯片。

表2 长波各波段探测器的理论背景极限(TB=300 K)

2.3.2 系统光谱响应要求

除了长波组件的高性能D*要求以外，系统还对探测器的光谱响应有很高的要求，见图14。各通道的器件响应光谱均要求在定量化的内外光谱响应限(红色和蓝色的曲线)内，而实际器件一般的光谱呈一“∧”状，存在一个对光响应最强的峰值波长λp，在峰值波长的两侧响应逐渐减小。图15是一个典型的碲镉汞甚长波单元器件相对光谱响应图，其横轴是波长，纵轴是归一化的器件光谱响应率(NormalizedR)。从图中可以看到，该器件的峰值波长λp约在12.5 μm处，而在3.0～12.5 μm的范围中，光谱响应曲线以一定的斜率稳步上升。可以想象，在这样一个倾角较大的曲线中，要在10.3～11.3 μm与11.5～12.5 μm两个波段中，使长波光导探测器4个光敏元的光谱响应都仍落在图14中红色和蓝色的内外光谱框内是十分困难的。

图14 光谱响应要求图

图15 典型的碲镉汞甚长波单元器件光谱响应图

经过我们科研人员10多年的不懈努力和探索，最终在2015年研制出了符合整机光谱要求的长波光导四波段探测器。图16是研制成功的长波四波段组件在88 K温度下的光谱图。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，各通道的带内光谱响应均优于99.7 %。

2.3.3 器件的响应不均匀性

在FY-4扫描辐射计探测器的芯片性能指标中还有多元响应不均匀性小于10 %的要求，即对于同一强度的光信号，一个探测器各光敏元的响应信号的最大或最小值与平均值之差不可以大于10 %。这个要求对于长波光导器件是比较高的。从图15甚长波4元器件光谱响应图和图16长波四波段组件光谱图形中可以看到，即使是相距很近的同一芯片上的4个光敏元的4根响应光谱曲线也是存在一定差异的，这个差异就会导致4个光敏元的信号值存在大小差异，特别是对于波长越长的波段来说，这个要求越难达到。下面以13.2～13.8 μm的甚长波段为例加以说明。

图16 长波四波段组件88 K光谱图形

对于晶片尺寸通常在0.5英寸的碲镉汞材料而言，由于碲镉汞材料的组分X(碲、镉、汞这三种材料的组成比例)的不同，容易引起探测器性能的一致性恶化。因此大面积均匀材料制备是响应均匀的探测器最基本的关键技术之一。可以计算出低温下碲镉汞材料组分X对截止波长λc(光谱响应衰减到峰值波长λp处50 %的波长)的影响关系曲线，如图17所示。

从以上的计算结果可以看出，如果要求探测器截止波长在13 µm附近的变化不超过0.5µm，则需要材料组分的变化不大于0.002。这对于一个截止波长在13 µm附近的(材料组分X约为0.2)碲镉汞材料而言，在整个晶片12～15 mm的范围内达到偏差小于1 %要求，还是很高的。为了解决器件最终均匀性优于10 %的问题，我们从材料的均匀性、器件减薄抛光和薄膜工艺的均匀性三个方面着手解决。

图17 低温下材料组分对截止波长的影响关系曲线

首先，我们采用坩埚加速旋转技术(accelerated crucible rotation technique，缩写为ACRT)生长出了优质的晶片材料，晶片的横向组分均匀性可以得到改善，较好的晶片横向组分均匀性能够达到0.002，个别的甚至在0.001以内。所谓ACRT就是利用坩埚加速旋转的方式控制材料生长，也就是在晶体生长坩埚垂直移动的同时，进行坩埚的水平旋转，以促进溶质的运动，控制晶体生长的固液界面的形状，以达到晶体生长组分横向均匀的效果。

其次，在材料研制后，还要进行材料的均匀性筛选工作。也就是通过增加晶片透过曲线的微区面分布测量，判断材料的横向组分均匀性，剔除差别较大者，优选组分均匀材料。因此在器件研制方面，要重点关注材料的减薄和抛光工艺对器件均匀性的影响。要求同一片晶片材料减薄的厚度均匀性也要达到10 %以内，这样才可以保证器件的均匀性要求。

最后，探测器的表面钝化膜、电极以及刻蚀等薄膜工艺对于器件的均匀性也有一定影响，需要注重整个器件工艺的各个细节，才可以保证最终探测器各元之间的均匀性符合要求。

3 结语

风云四号气象卫星多通道扫描成像辐射计相比正在运行的风云二号气象卫星多通道扫描辐射计在通道数和辐射分辨率指标方面均有大幅度提高。这个与多通道扫描成像辐射计的核心部件——红外探测器研制水平的大幅提升是密不可分的。这个不仅体现在红外通道的数量从风云二号改进型的4个增加到了风云四号的8个和对探测率D*的高要求以及探测器的波长已经延伸到了13.8µm的甚长波红外波段，更体现在了探测器芯片的光敏元尺寸和数量上。以光敏元尺寸为例，风云二号扫描成像辐射计红外芯片的光敏元尺寸为82 µm×82 µm，而风云四号的仅为56 µm×56µm。光敏元尺寸的减小给我们带来了从未有过的挑战，遇到了许多新现象、新问题，比如：光伏探测器的光敏面扩大问题和光导探测器的沟槽刻蚀问题等。我们的红外探测器研制人员，面对这许多困难，继承和发扬了老一辈航天人刻苦钻研、敢打硬仗的作风和“实干见物”的精神，经过10多年的不断摸索和攻关，终于圆满地完成了风云四号扫描成像辐射计的红外探测器研制任务，器件性能完全满足系统要求，部分性能大幅超过任务书规定的指标，从而使新一代静止轨道定量遥感气象卫星——风云四号A星观测系统实现了功能和性能上的跨越式发展，跻身于国际先进遥感气象卫星的行列之中。

作为从事红外探测器研究的科研人员，能为国家和民族的航天遥感事业作出一份自己应有的贡献，我们都感到无比自豪和骄傲。相信通过我们的不懈努力和拼搏，今后一定会为祖国的天气预报与预警、灾害及环境监测和空间天气等研究领域画上浓墨重彩的一笔。

(2017年11月30日收稿)■

参考文献

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