用于太空任務(wù)的GaN晶體管

GaN 功率晶體管是支持極端太空任務(wù)的功率和射頻應(yīng)用的理想選擇。EPC Space通過(guò)其新的 eGaN 解決方案保證輻射硬度性能和 SEE（單事件效應(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)，具有極高的電子遷移率和低溫系數(shù)以及極低的 R DS (on) 值。

“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)用電源轉(zhuǎn)換領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者，而 EPC 是基于 GaN 的電源轉(zhuǎn)換技術(shù)的領(lǐng)導(dǎo)者。EPC Space 是 Freebird Semiconductor 的繼任者，F(xiàn)reebird Semiconductor 成立于 2015 年，”EPC Space 首席執(zhí)行官 Bel Lazar 說(shuō)。

現(xiàn)代電信衛(wèi)星的結(jié)構(gòu)旨在優(yōu)化將它們放置在適當(dāng)軌道上的過(guò)程并更好地發(fā)揮其功能。衛(wèi)星由中央部分組成，大部分電子設(shè)備、推進(jìn)系統(tǒng)和相關(guān)的坦克都位于該部分。環(huán)繞地球軌道上的各種衛(wèi)星和最遠(yuǎn)地區(qū)的探索衛(wèi)星上的電子設(shè)備通過(guò)伽馬射線、中子和重離子獲得某種形式的能量。

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)備性能下降、中斷和不連續(xù)。

這種轟擊會(huì)對(duì)半導(dǎo)體造成一系列損壞，例如破壞晶體。特別是，它可能會(huì)在非導(dǎo)電區(qū)引起陷阱，或產(chǎn)生電子-空穴對(duì)云，從而通過(guò)造成短路使器件的操作不平衡。在 eGaN 器件中，來(lái)自太空的高能粒子無(wú)法產(chǎn)生瞬時(shí)短路，因?yàn)闊o(wú)法產(chǎn)生電子空穴對(duì)。

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)。這些變化是根據(jù)總電離劑量參數(shù) (TID) 估算的。吸收的電離劑量通常以 Rads 為單位測(cè)量，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，因此可以積累很大的 TID 值。一些深空任務(wù)需要 10 兆拉德，而硅無(wú)法支持它們。抗輻射要求決定了從頭開(kāi)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 [來(lái)源：EPC Space]

圖 1 是典型硅 MOSFET 的橫截面。它是一個(gè)垂直器件，頂面有源極和柵極，底面有漏極。柵極通過(guò)一層二氧化硅與溝道隔開(kāi)。在基于硅的 MOSFET 中，輻射通過(guò)觸發(fā)柵極中的正電荷來(lái)降低電壓閾值，直到晶體管從常關(guān)或增強(qiáng)模式變?yōu)槌ｉ_(kāi)或耗盡模式狀態(tài)，從而破壞該氧化物基極上的電子。為了實(shí)現(xiàn)等效操作，您需要一個(gè)負(fù)電壓來(lái)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(cè)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），如單事件瞬態(tài) (SET)、單事件翻轉(zhuǎn) (SEU)，災(zāi)難性效應(yīng)，如單事件燒毀 (SEB)、單事件門破裂 (SEGR) 和單事件閂鎖 (SEL) . 每個(gè) SEE 背后的機(jī)制包括在粒子通過(guò)后設(shè)備的敏感區(qū)域中的電荷積累。

單事件柵極破裂是由高能原子引起的高瞬態(tài)電場(chǎng)穿過(guò)柵極氧化物導(dǎo)致柵極氧化物破裂，如圖 2 所示。器件的漂移區(qū)，那里有相對(duì)高的電場(chǎng)。

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(chǎng)引起，從而破壞柵極氧化物 [來(lái)源：EPC Space]

高能粒子通過(guò)產(chǎn)生大量電子對(duì)和空穴來(lái)失去能量。后者會(huì)導(dǎo)致設(shè)備發(fā)生瞬間短路，從而損壞設(shè)備。在某些情況下，它甚至可能對(duì)其他組件造成損壞，在這種情況下，請(qǐng)參考單事件翻轉(zhuǎn)或 SEU。

“發(fā)生的事情是，比方說(shuō)，錯(cuò)過(guò)了門，它穿過(guò)設(shè)備的另一部分，這個(gè)粒子的能量不僅會(huì)損壞晶體，還會(huì)導(dǎo)致巨大的電子和空穴云，它們導(dǎo)通，在此過(guò)程中，設(shè)備會(huì)發(fā)生瞬間短路。這就是所謂的單一事件擾亂，”EPC 首席執(zhí)行官 Alex Lidow 說(shuō)。

氮化鎵晶體管

與硅 MOSFET 相比，增強(qiáng)模式下的 GaN (eGaN?) 器件的構(gòu)造方式不同。所有三個(gè)端子都位于頂面。如同在硅 MOSFET 中一樣，源極和柵極之間的傳導(dǎo)是通過(guò)將柵極電極從零伏極化到正值 (5V) 來(lái)調(diào)制的。柵極與下方的溝道通過(guò)一層氮化鋁和鎵隔開(kāi)。當(dāng)受到伽馬輻射時(shí)，該層不會(huì)累積電荷（圖 3）。

圖 3：典型增強(qiáng)型 GaN (eGaN?) 器件的橫截面 [來(lái)源：EPC Space]

“GaN 本質(zhì)上是難以承受總劑量的輻射，這是在設(shè)備的整個(gè)生命周期內(nèi)輻射的積累。但是，為了能夠承受單一事件，您必須以不同于商業(yè)設(shè)備的方式設(shè)計(jì)它們，”EPC Space 首席執(zhí)行官 Bel Lazar 說(shuō)。

“在 GaN 器件中，我們沒(méi)有氧化物。所以我們沒(méi)有單一事件，門破裂。EPC 首席執(zhí)行官 Alex Lidow 表示，GaN 中沒(méi)有可以良好傳導(dǎo)的孔洞，因此您不會(huì)遇到單一事件。

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(cè)試期間，測(cè)量了從漏極到源極和柵極到源極的漏電流，以及器件在各個(gè)檢查點(diǎn)的閾值電壓和導(dǎo)通電阻，確認(rèn)器件性能沒(méi)有顯著變化。

“對(duì)于單事件效應(yīng)，我們開(kāi)發(fā)了一個(gè)非常有趣的激光測(cè)試，我們實(shí)際上可以使用緊密聚焦的激光模擬高能粒子。我們可以移除設(shè)備的背面并通過(guò)氮化鎵發(fā)射激光，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)，”EPC 首席執(zhí)行官 Alex Lidow 說(shuō)。

圖 4 顯示了 eGaN 器件在重離子轟擊下的主要故障機(jī)制。條件大約是極化裝置上的 85 LET 金原子束所能達(dá)到的最大值。

圖 4：重離子轟擊下 eGaN 器件的 SEE 主要故障機(jī)制 [來(lái)源：EPC Space]

縱軸為器件的漏電流，橫軸為器件每平方厘米吸收的重離子數(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(guò)程中不會(huì)改變，漏源漏電流隨著轟擊的增加而增加。這種漏源漏電流的增加是 eGaN 器件在重離子轟擊下的主要故障模式，這也是我們通過(guò)激光測(cè)試大大改進(jìn)的機(jī)制。

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：位移能與各種晶體的晶格常數(shù)倒數(shù)的比較 [來(lái)源：EPC Space]

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。新功率器件還具有固有的抗輻射性（rad-hard），并提供高達(dá) 600C 的理論結(jié)溫工作。

“在太空任務(wù)中，所涉及的電壓實(shí)際上低于大多數(shù)交流線路電壓，因此最好使用 200 伏，有時(shí) 300 伏的設(shè)備。在該范圍內(nèi)，GaN 的性能僅比碳化硅高得多，因此它是更好的選擇。此外，未來(lái)，氮化鎵作為橫向器件更容易集成。所以，我們已經(jīng)在太空中飛行集成電路，隨著時(shí)間的推移，隨著集成電路密度的提高，它會(huì)變得越來(lái)越好。另一件事是碳化硅，如果它是晶體管，它往往是一個(gè)MOS晶體管。并且該氧化物不是天然氧化物。因此，與硅 MOSFET 相比，它在總?cè)肷鋭┝糠矫娲嬖诟蟮膯?wèn)題，”EPC 首席執(zhí)行官 Alex Lidow 表示。

衛(wèi)星中的電力負(fù)載可能會(huì)有很大差異，這取決于要執(zhí)行的子系統(tǒng)和功能。對(duì)衛(wèi)星電源系統(tǒng)的保護(hù)對(duì)于防止所提供的設(shè)備出現(xiàn)故障可能會(huì)降低其性能甚至使其停止服務(wù)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 具有輻射耐受性、快速開(kāi)關(guān)速度和更高的效率，通過(guò)提高頻率以允許使用更小的電感器并提供良好的效率，從而使電源變得更小、更輕。eGaN FET 也比等效的 MOSFET 小。

圖 6：使用 EPC Space GaN 器件的 VPT SGRB10028S 轉(zhuǎn)換器的照片和典型的測(cè)量效率 [來(lái)源：EPC Space]

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 的電氣和熱性能也展示了在空間環(huán)境中的卓越操作。

審核編輯：郭婷