太空任務(wù)中的eGaN晶體管泊位

氮化鎵 （GaN） 繼續(xù)其接管宇宙光譜的使命。GaN 的長期存在并未結(jié)束，它憑借其功率晶體管進(jìn)入太空，這是支持極端太空任務(wù)的電源和射頻應(yīng)用的理想選擇。EPC Space 通過其新的 eGaN 解決方案看到了這一點(diǎn)。EPC Space的新型 eGaN 解決方案保證了輻射硬度性能和 SEE（單粒子效應(yīng)）抗擾度，其器件專為商業(yè)衛(wèi)星空間的關(guān)鍵應(yīng)用而設(shè)計(jì)。這些器件具有極高的電子遷移率和極低的 R DS （on） 值的低溫系數(shù)。

EPC Space 首席執(zhí)行官 （CEO） Bel Lazar 表示：“EPC Space 是 VPT 和 EPC 的合資企業(yè)。VPT 是航空電子、軍事、太空和工業(yè)應(yīng)用功率轉(zhuǎn)換的領(lǐng)導(dǎo)者，而 EPC 是基于 GaN 的功率轉(zhuǎn)換技術(shù)的領(lǐng)導(dǎo)者。EPC Space 是 Freebird Semiconductor 的繼任者，成立于 2015 年。”

現(xiàn)代電信衛(wèi)星具有一種結(jié)構(gòu)，可以優(yōu)化將它們置于適當(dāng)軌道并使其發(fā)揮作用的過程。該衛(wèi)星由大部分電子設(shè)備所在的中央部分組成，還具有推進(jìn)系統(tǒng)，相關(guān)坦克位于其中，而在地球軌道上的各種衛(wèi)星上的電子設(shè)備。位于最遠(yuǎn)區(qū)域的探測衛(wèi)星通過伽馬射線、中子和重離子體驗(yàn)?zāi)撤N形式的能量。

空間輻射流主要由 85% 的質(zhì)子和 15% 的重核組成。輻射的影響會(huì)導(dǎo)致設(shè)備性能的退化、中斷和不連續(xù)。

這種轟擊會(huì)對(duì)半導(dǎo)體造成一系列損害，例如晶體的破壞。特別是，它可能會(huì)在非導(dǎo)電區(qū)造成陷阱，或產(chǎn)生一團(tuán)電子-空穴對(duì)，通過產(chǎn)生短路使器件的運(yùn)行失衡。在 eGaN 器件中，來自太空的高能粒子不能產(chǎn)生短暫的短途路徑，因?yàn)殡娮?空穴對(duì)不共存。

空間輻射

帶電粒子和伽馬射線會(huì)產(chǎn)生電離，從而改變?cè)O(shè)備的參數(shù)。這些變化存在于總電離劑量參數(shù) （TID） 方面。吸收的電離劑量存在于 Rads 中，即每克材料 100 ergs 的吸收能量。衛(wèi)星任務(wù)的持續(xù)時(shí)間可以持續(xù)數(shù)年，因此可以存儲(chǔ)大的 TID 值。一些深空任務(wù)需要十 （10） 兆拉德，因?yàn)楣锜o法支持它們?？馆椛湟鬀Q定了從頭開始設(shè)計(jì)電子元件以承受輻射的影響。

圖 1：典型硅 MOSFET 的橫截面

圖 1 是普通硅 MOSFET 的橫截面。它是一種垂直器件，源極和柵極在頂面，漏極在底面。入口與通道之間由一層二氧化硅隔開。在基于硅的 MOSFET 中，輻射通過觸發(fā)柵極中的正電荷來破壞該氧化物基體上的電子，從而降低電壓閾值，直到晶體管從常規(guī)關(guān)閉或增強(qiáng)模式變?yōu)槠骄_啟或耗盡模式狀態(tài)。要實(shí)現(xiàn)等效操作，您將需要一個(gè)負(fù)電壓來關(guān)閉 MOSFET。

由于高能輻射在空間環(huán)境中發(fā)生的單事件效應(yīng)（SEE）是不可預(yù)測的，并且可能在航天器任務(wù)期間的任何時(shí)間發(fā)生。SEE由幾種現(xiàn)象組成；瞬態(tài)效應(yīng)（或軟錯(cuò)誤），例如單事件瞬態(tài) （SET）、單事件翻轉(zhuǎn) （SEU）、災(zāi)難性效應(yīng)，例如單事件燒毀 （SEB）、單事件柵極破裂 （SEGR） 和單事件閂鎖 （SEL） 。 每個(gè) SEE 背后的機(jī)制都包括在粒子通過后設(shè)備敏感區(qū)域中的電荷積累。

單事件柵極破裂是由高能原子觸發(fā)柵極氧化物上的高瞬態(tài)電場導(dǎo)致柵極氧化物破裂，如圖 2 所示。當(dāng)高能粒子穿過柵極氧化物時(shí)，會(huì)導(dǎo)致單事件燒毀或 SEB器件的漂移區(qū)，其中存在相對(duì)較高的電場。

圖 2：MOSFET 中的單事件柵極破裂 （SEGR） 由高能原子在柵極氧化物上產(chǎn)生高瞬態(tài)電場引起，從而使柵極氧化物破裂

高能粒子通過產(chǎn)生大量電子對(duì)和空穴而失去能量。后者會(huì)導(dǎo)致?lián)p壞它的設(shè)備中的瞬時(shí)短路。在某些情況下，它甚至可能對(duì)其他組件造成損壞，但在這種情況下，參考的是單事件翻轉(zhuǎn) （SEU）。

“發(fā)生的情況是，當(dāng)它錯(cuò)過門并穿過設(shè)備的另一部分時(shí)，這種粒子的能量會(huì)對(duì)晶體造成損壞，產(chǎn)生巨大的電子和空穴云，從而使設(shè)備體驗(yàn)瞬間短路。這就是所謂的單事件擾動(dòng)，”EPC 首席執(zhí)行官 （CEO） 亞歷克斯·利多 （Alex Lidow） 說。

氮化鎵晶體管

與硅 MOSFE T相比，增強(qiáng)模式下的 GaN （eGaN?） 器件的構(gòu)造不同。所有三個(gè)端子都位于頂部表面。與硅 MOSFET 一樣，源極和柵極之間的傳導(dǎo)通過將柵電極從零伏特極化到正值 （5V） 來調(diào)制。柵極通過一層氮化鋁和鎵與下面的通道隔開。該層在受到伽馬輻射時(shí)不會(huì)積累電荷（圖 3）。

圖 3：典型增強(qiáng)型 GaN （eGaN?） 器件的橫截面

“從總劑量來看，GaN 本質(zhì)上是難以輻射的，這是輻射在整個(gè)設(shè)備生命周期中的累積。然而，為了能夠承受單一事件，您必須對(duì)它們進(jìn)行不同于商業(yè)設(shè)備的設(shè)計(jì)，”EPC Space 首席執(zhí)行官 （CEO） Bel Lazar 說。

“在 GaN 器件中，我們沒有氧化物。所以我們沒有單一的事件，門破裂。EPC 首席執(zhí)行官 （CEO） 亞歷克斯·利多 （Alex Lidow） 表示：

為了展示 eGaN 器件的性能，EPC Space 的 100 V 系列 eGaN 晶體管經(jīng)受了 500 kRad 的伽馬輻射。在測試期間，在各個(gè)檢查點(diǎn)測量了從漏極到源極和柵極到基礎(chǔ)的漏電流，以及器件的閾值電壓和導(dǎo)通電阻，以確認(rèn)器件性能沒有顯著變化。

Lidow 解釋說，他的組織為單事件效應(yīng) （SEE） 開發(fā)了一個(gè)有趣的激光測試，我們可以使用緊密聚焦的激光模擬高能粒子。我們可以去掉設(shè)備的背面，用激光射穿氮化鎵，看看哪些區(qū)域是脆弱的。了解設(shè)備最薄弱的部分使我們能夠改進(jìn)我們的設(shè)計(jì)，”說。

圖 4 顯示了 eGaN 器件在重離子轟擊下的主要失效機(jī)制。在偏振器件上使用 85 LET 的金原子束時(shí)，這些條件大約是最大可能的。

圖 4：重離子轟擊下 eGaN 器件的 SEE 主要失效機(jī)制

縱軸是器件的漏電流，橫軸是每平方厘米機(jī)構(gòu)吸收的重離子數(shù)。虛線表示柵源漏電流，實(shí)線表示三個(gè) eGaN FBG10N30 100V 漏源漏電流。與漏源漏電流不同，漏源電流 Ig 在轟擊過程中不會(huì)改變，漏源漏電流會(huì)隨著轟擊的增加而增加。

漏源漏電流的增加是 eGaN 器件在重離子轟擊下的主要失效模式，這也是我們改進(jìn)的機(jī)制，這要?dú)w功于激光測試。

此外，GaN 優(yōu)于中子輻射，因?yàn)榕c硅相比，它具有更高的位移閾值能量（圖 5）。

圖 5：位移能量與各種晶體的晶格常數(shù)倒數(shù)的比較

GaN 可用于制造半導(dǎo)體器件，例如二極管和晶體管。電源設(shè)計(jì)人員可以選擇 GaN 晶體管而不是硅，因?yàn)樗哂行〕叽绾透咝?。與具有更高熱管理要求的硅器件相比，GaN 晶體管還消耗更少的功率并提供更高的熱導(dǎo)率。新的功率器件本質(zhì)上還具有抗輻射（rad-hard）特性，并提供高達(dá) 600C 的推測結(jié)溫操作。

“在太空任務(wù)中，所涉及的電壓低于大多數(shù)交流線路電壓，因此最好使用 200 伏和有時(shí) 300 伏的設(shè)備。而在這個(gè)范圍內(nèi)，GaN只是性能比碳化硅高很多，所以是更好的選擇。此外，展望未來，氮化鎵作為橫向器件更容易集成。因此，我們已經(jīng)在太空中飛行了集成電路，隨著時(shí)間的推移，這將變得更好、更可靠，集成電路的密度會(huì)得到更多的提高。

另一件事是碳化硅如果是晶體管，它往往是MOS晶體管。并且該氧化物不是天然氧化物。因此，它在總?cè)肷鋭┝糠矫姹裙?MOSFET 存在更大的問題，”Lidow 說。

衛(wèi)星中的電氣負(fù)載可能會(huì)有很大差異，具體取決于所實(shí)現(xiàn)的子系統(tǒng)和功能。對(duì)衛(wèi)星電力系統(tǒng)的保護(hù)對(duì)于防止提供的可能使其性能下降甚至停止服務(wù)的單元發(fā)生故障至關(guān)重要。

可以使用 GaN 的關(guān)鍵領(lǐng)域是射頻和功率轉(zhuǎn)換。eGaN FET 可提供輻射耐受性、快速開關(guān)速度、更高的效率，通過提高頻率以允許使用更小的電感器并提供生產(chǎn)力，從而實(shí)現(xiàn)更小、更輕的電源。eGaN FET 也比等效的 MOSFET 更小。

GaN功率晶體管是空間功率轉(zhuǎn)換應(yīng)用的理想選擇。當(dāng)暴露于各種形式的輻射時(shí)，eGaN 器件比硬輻射 MOSFET 更堅(jiān)固。GaN 的電學(xué)和熱學(xué)性能在空間環(huán)境中也表現(xiàn)出卓越的操作性。

圖 6：來自 VPT 的 SGRB10028S 轉(zhuǎn)換器使用 EPC Space GaN 器件的照片和典型測量的效率

審核編輯：郭婷