寬帶隙器件對于下一代空間系統(tǒng)的發(fā)展具有重要意義

長期以來，硅基器件一直是半導(dǎo)體領(lǐng)域的基準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)。從 2007 年開始，由于摩爾定律的失敗，復(fù)合材料被開發(fā)出來，特別關(guān)注寬帶隙半導(dǎo)體，因?yàn)樗鼈兝昧酥匾奶匦?，與傳統(tǒng)的硅對應(yīng)物（如電力電子）相比，它們可以實(shí)現(xiàn)具有卓越性能的器件。

已經(jīng)開發(fā)的最成熟的寬帶隙 （WBG） 半導(dǎo)體材料是氮化鎵和碳化硅。與 IGBT 和 Power 等硅功率器件相比，基于此類材料的器件（例如 GaN HEMT 和 SiC MOSFET）正在成為管理快速開關(guān)設(shè)備中高功率水平的首選解決方案，并在許多關(guān)鍵應(yīng)用中表現(xiàn)出更好的性能MOSFET。

由于新的 WBG 半導(dǎo)體器件能夠管理比傳統(tǒng)器件更高的功率密度，因此可以在相同性能水平的情況下顯著減小尺寸，簡化熱管理，節(jié)省散熱器和相關(guān)成本：提高擊穿電壓、高電子遷移率、和飽和速度使它們成為高功率和高溫應(yīng)用的正確選擇。

此外，更高的臨界電場值使這些化合物對于實(shí)現(xiàn)具有出色的特定 Rds-on 值（即導(dǎo)通狀態(tài)等效電阻）的電源開關(guān)非常有吸引力?；谶@些新的關(guān)鍵因素，可以顯著降低導(dǎo)通狀態(tài)下的功率損耗。同時(shí)，由于輸入電容低于硅功率晶體管，這類新器件還能夠降低開關(guān)功率損耗。

WBG 設(shè)備的優(yōu)勢

WBG器件在效率和功率密度方面的優(yōu)勢是無可爭議的。

對這兩個(gè)關(guān)鍵特征的改進(jìn)推動(dòng)了當(dāng)今多個(gè)全球工業(yè)領(lǐng)域的創(chuàng)新，例如數(shù)據(jù)中心、可再生能源、消費(fèi)電子產(chǎn)品以及電動(dòng)汽車和自動(dòng)駕駛汽車。GaN ad SiC 組件可以提供比傳統(tǒng)競爭對手更高的功率密度和更高的效率，這些改進(jìn)為消費(fèi)者和公司帶來了廣泛的好處，無論是更小的外形尺寸還是消費(fèi)者適配器中更快的充電速率，還是冷卻成本數(shù)據(jù)中心的節(jié)能和電力浪費(fèi)。

即使在射頻和微波應(yīng)用中，使用可用的硅射頻功率器件也無法輕松滿足對越來越高工作頻率的要求。

由于擊穿電壓低，不可能設(shè)計(jì)和制造能夠提供數(shù)百或數(shù)千瓦的射頻輸出功率的硅晶體管，這個(gè)問題嚴(yán)重限制了固態(tài)器件在高電壓中的使用。功率射頻和微波應(yīng)用。最近在諸如 SiC 和 GaN 等寬帶隙半導(dǎo)體材料的生長方面取得了進(jìn)步，使得能夠生產(chǎn)出具有令人印象深刻的射頻性能的器件，從而為開發(fā)基于微波固態(tài)晶體管的新設(shè)計(jì)提供了機(jī)會，這些晶體管展示了以前只能通過使用微波才能實(shí)現(xiàn)的性能真空管。

與標(biāo)準(zhǔn)硅技術(shù)相比，基于氮化鎵和碳化硅的器件的另一個(gè)非常有趣的優(yōu)勢是這兩種復(fù)合材料顯示出的高水平輻射硬度，這為軍事和太空市場的廣泛應(yīng)用打開了大門。與硅對應(yīng)的器件相比，GaN 和 SiC 器件對惡劣輻射環(huán)境中的電離事件造成的損壞和故障的耐受性要好得多。

功率器件：輻射的影響

通常，在多種應(yīng)用中必須滿足對抗輻射電子系統(tǒng)的嚴(yán)格要求，以保證電子設(shè)備和電路能夠承受環(huán)境中典型的高水平電離輻射和/或高能電磁輻射造成的損壞比如太空和高空飛行、粒子加速器和核反應(yīng)堆，包括核事故。

不幸的是，某些類型的半導(dǎo)體容易受到輻射損傷，并且可以通過適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)和制造變化來實(shí)現(xiàn)抗輻射組件，這有助于降低它們對輻射引起的損傷的敏感性。

例如，具有封閉柵極布局的分布式 MOSFET 結(jié)構(gòu)，配備環(huán)形保護(hù)環(huán)；對電離輻射的影響表現(xiàn)出增強(qiáng)的抵抗力。解決方案的其他示例由環(huán)形源或雙漏技術(shù)表示。

尤其是空間環(huán)境，可能會出現(xiàn)能夠影響并在許多情況下降低設(shè)備和材料特性的條件，從而影響重要系統(tǒng)的正確運(yùn)行。

空間合格設(shè)備的主要要求是長期運(yùn)行的高可靠性。事實(shí)上，輻射效應(yīng)會導(dǎo)致設(shè)備性能中斷、退化，以及一般情況下的不連續(xù)性。

例如，用于空間應(yīng)用的電子設(shè)備會因被困在地球磁場中的質(zhì)子和電子而受到損壞；空間輻射通量主要由 85% 的質(zhì)子和 15% 的重核組成；這些效應(yīng)稱為單事件效應(yīng) （SEE）?？臻g輻射的另一個(gè)重要影響是總電離劑量 （TID）。

這兩個(gè)概念之間的區(qū)別非常簡單：SEE 是單個(gè)高能粒子撞擊電子設(shè)備所產(chǎn)生的結(jié)果，而 TID 與長時(shí)間暴露于電離輻射所產(chǎn)生的影響有關(guān)。

在電子設(shè)備的情況下，TID 通常以“rad”（輻射吸收劑量）為單位，這是用于測量材料、物體或人吸收的輻射總量的單位之一；它反映了暴露于放射源的材料中沉積的能量總量。

吸收的輻射劑量，以拉德表示，是沉積在任何物質(zhì)（如水、空氣或組織）中的能量（來自任何類型的電離輻射）；1 拉德的劑量對應(yīng)于 100 克材料中沉積的 100 爾格的總能量。在國際體系中，總輻射劑量的計(jì)量單位是格雷（Gy）：1Gy相當(dāng)于100rad。

考慮到特定設(shè)備，其劑量輻射閾值代表導(dǎo)致設(shè)備故障的最低 TID 水平：大多數(shù)宣稱“抗輻射”的商業(yè)設(shè)備在功能故障發(fā)生之前能夠承受高達(dá) 5krad 的強(qiáng)度。

輻射硬化產(chǎn)品通常會針對一種或多種并發(fā)效應(yīng)進(jìn)行測試，例如 TID ELDRS（增強(qiáng)的低劑量率效應(yīng)）、中子和質(zhì)子造成的位移損傷。

關(guān)于單事件效應(yīng)，它們在航天器和衛(wèi)星等環(huán)境中發(fā)揮著非常重要的作用，因?yàn)檫@些系統(tǒng)工作的環(huán)境中存在高通量的質(zhì)子和離子。

電子電路中一系列不同類型的 SEE 可以識別如下。

SEU （Single Event Upset） 代表一種狀態(tài)變化，通常在數(shù)字電路中，由于單個(gè)電離粒子（離子、電子、光子等）撞擊電子設(shè)備中的敏感點(diǎn)。

SET（單事件瞬態(tài)）發(fā)生在高能亞原子粒子撞擊組合邏輯元素時(shí)。粒子沉積的電荷會引起瞬態(tài)電壓擾動(dòng)，該擾動(dòng)會傳播到存儲元件并被鎖存，從而導(dǎo)致單事件擾動(dòng)。

SEFI（單事件功能中斷）是由單個(gè)粒子撞擊引起的受影響設(shè)備上的臨時(shí)故障（或正常運(yùn)行中斷）。

SEGR （Single Event Gate Rupture） 是單個(gè)高能粒子導(dǎo)致 MOSFET 的薄柵極氧化物擊穿的事件，從而形成通過它的導(dǎo)電路徑。這一事件通過柵極泄漏電流的增加來揭示，并可能導(dǎo)致器件性能下降或完全失效。

SEL（Single Event Latch-up）表示器件中的異常高電流狀態(tài)，是由單個(gè)高能粒子通過器件結(jié)構(gòu)的敏感區(qū)域?qū)е缕骷δ軉适Ф鸬?。SEL 可能會對設(shè)備造成永久性損壞，如果設(shè)備沒有永久性損壞，則必須執(zhí)行電源循環(huán)（關(guān)閉/打開）以恢復(fù)正常運(yùn)行。SEL 出現(xiàn)在 CMOS 結(jié)構(gòu)中，其中固有的寄生 pnpn 結(jié)構(gòu)（實(shí)際上是 SCR）通過吸收單個(gè)粒子而開啟，并導(dǎo)致在電源和接地之間產(chǎn)生短路。

SEB （Single Event Burnout） 表示單個(gè)高能粒子撞擊在設(shè)備中引起局部高電流狀態(tài)并導(dǎo)致災(zāi)難性故障的事件。

所有類型的 SEE 事件都可能導(dǎo)致系統(tǒng)性能下降，甚至可能達(dá)到完全破壞的程度。為了確保高度的可靠性，有必要選擇對輻射產(chǎn)生的影響進(jìn)行了測量、記錄和聲明的組件。

如上所述，電子設(shè)備遭受輻射效應(yīng)，尤其是由于電子和質(zhì)子，其產(chǎn)生的主要原因是太陽高能粒子事件，其中地球的磁層最靠近地球，導(dǎo)致更多的捕獲輻射。

參考傳統(tǒng)的硅技術(shù)，來自質(zhì)子和電子的長期累積電離損傷表現(xiàn)為在惡劣輻射環(huán)境下工作的 MOSFET 器件的兩種輻射損傷：由氧化物界面處的電荷俘獲等現(xiàn)象引起的表面效應(yīng)和體損傷。由于離子置換。

這些影響會導(dǎo)致器件性能顯著惡化，從而導(dǎo)致閾值電壓偏移（見圖 1）、跨導(dǎo)退化（見圖 2）、漏電流（和相關(guān)功耗）增加，以及動(dòng)態(tài)特性的改變，降低開關(guān)性能等方面的效率。

圖 1. 輻照效應(yīng)引起的閾值電壓偏移。圖片由 Bodo‘s Power Systems提供

圖 2. 輻照效應(yīng)導(dǎo)致的跨導(dǎo)退化。圖片由 Bodo’s Power Systems提供

入射輻射在氧化物中產(chǎn)生空穴-電子對，因此在柵極氧化物中捕獲的空穴會引起閾值電壓偏移，而在場氧化物中捕獲的空穴會導(dǎo)致漏電流增加。就這些現(xiàn)象而言，NMOS 晶體管比 PMOS 晶體管更容易受到攻擊。

作為緩解上述問題的一種可能的解決方案，可以采用金屬屏蔽來覆蓋器件。

這種安排可能會有所幫助，但必須考慮幾個(gè)相關(guān)因素來評估其有效性，例如，使用適當(dāng)?shù)呐R時(shí)分析技術(shù)研究的屏蔽幾何形狀、屏蔽材料成分和設(shè)備成分。即使在高能量的情況下，電子也可以通過鋁屏蔽有效地衰減；鋁屏蔽也適用于低能質(zhì)子，但對高于 30 MeV 的高能質(zhì)子無效。

WBG 在空間和軍事系統(tǒng)中的優(yōu)勢

用于戰(zhàn)略軍事設(shè)備、太空任務(wù)和衛(wèi)星應(yīng)用、航天器、高空飛行和無人機(jī)、數(shù)據(jù)傳輸和機(jī)器人等關(guān)鍵應(yīng)用的功率設(shè)備必須能夠抵抗電離輻射引起的故障和故障。

在這些類型的應(yīng)用中，WBG 器件提供的性能明顯高于傳統(tǒng)的硅基抗輻射器件。

此功能使創(chuàng)新架構(gòu)的實(shí)施成為可能，因?yàn)槌叽鐪p小和重量減輕，以及高效率和良好的可靠性是任何用于上述應(yīng)用的設(shè)備的基本要求。

在所有現(xiàn)有設(shè)備中，氮化鎵和碳化硅能夠以最小的占地面積提供最高水平的效率。就電磁干擾 （EMI） 而言，它們還具有出色的性能，這要?dú)w功于寄生電容值的降低，從而減少了開關(guān)周期中存儲和釋放的能量。同時(shí)，減小的尺寸改善了環(huán)路電感，從而使天線效應(yīng)相當(dāng)衰減。

由于沒有最近的技術(shù)，抗輻射硅 MOSFET 已經(jīng)達(dá)到了極限，因?yàn)樗鼈兙哂休^大的芯片尺寸，與新的 WBG 晶體管相比，性能品質(zhì)因數(shù) （FOM） 非常高，特別是與增強(qiáng)型 GaN 器件相比。

與上圖相關(guān)，評估設(shè)備性能的一個(gè)重要參數(shù)是 FoM（品質(zhì)因數(shù)）定義為 FoM = R DS（ON） x C iss

圖 3. 績效合作。圖片由 Bodo‘s Power Systems提供

它代表了與設(shè)備理想狀態(tài)的偏差——它的值越低，系統(tǒng)效率就越好。

WBG 輻射解決方案

增強(qiáng)型 GaN HEMT 晶體管非常容易驅(qū)動(dòng)，因?yàn)榕c最好的抗輻射 MOSFET 相比，它們所需的柵極電荷最多可減少 40 倍。這是由于有利于 GaN 器件的物理尺寸：它們可以直接安裝在陶瓷基板上，避免任何額外的外部封裝。

通過這種方式，可以消除任何導(dǎo)線限制，因此相關(guān)的退化電感消失，從而允許高開關(guān)速率，僅受與柵極和漏極節(jié)點(diǎn)相關(guān)的電阻和電容的限制。

結(jié)果，可以大大提高工作頻率，從而實(shí)現(xiàn)納秒級的切換時(shí)間。對于這些高速應(yīng)用，應(yīng)特別注意布局設(shè)計(jì)階段。

WBG 先進(jìn)解決方案領(lǐng)域的幾家重要參與者已經(jīng)開發(fā)出抗輻射、高性能的 GaN FET 器件，適用于 DC-DC 轉(zhuǎn)換器，通常適用于星載系統(tǒng)中的開關(guān)電源應(yīng)用。這些組件已針對破壞性單事件效應(yīng) （SEE） 進(jìn)行了表征，并針對高水平的總電離劑量 （TID） 進(jìn)行了測試。

這些 100 V 和 200 V GaN FET 的最大漏極電流高達(dá) 60 A，其性能比硅 MOSFET 高出 10 個(gè)數(shù)量級，將封裝尺寸減小了大約 50%。

它們還減小了電源的尺寸、重量和成本，由于較低的開關(guān)功率損耗而節(jié)省了一部分散熱器。此外，這些器件是同類產(chǎn)品中最好的，因?yàn)樗鼈兙哂?5mΩ RDS（on） 和 14nC 柵極電荷的最佳 FoM。

例如，VPT 的 SGRB 系列 DC-DC 轉(zhuǎn)換器采用先進(jìn)的 GaN 技術(shù)，經(jīng)過專門設(shè)計(jì)，適用于空間應(yīng)用，通常適用于惡劣的輻射環(huán)境。上述系列耐輻射，噪音低，效率非常高，超過 95%，與傳統(tǒng)的抗輻射硅產(chǎn)品相比具有優(yōu)勢。

一系列基于高可靠性 GaN 器件的適配器模塊可用于多功能電源應(yīng)用。他們利用具有高速柵極驅(qū)動(dòng)器電路的 eGaN 開關(guān) HEMT。

電子解決方案在當(dāng)今的航空航天環(huán)境和應(yīng)用中變得越來越普遍，所有開發(fā)人員都在努力開發(fā)越來越多的系統(tǒng)，例如衛(wèi)星和航天器設(shè)備。高效率和良好的可靠性對于太空任務(wù)項(xiàng)目的成功至關(guān)重要。

此外，寬帶半導(dǎo)體在高溫環(huán)境中運(yùn)行的能力具有重要意義，因?yàn)檫@為其在極端高溫環(huán)境中的應(yīng)用鋪平了道路，同時(shí)需要較少的冷卻才能正常運(yùn)行。

通常，電子設(shè)備的輻照測試是根據(jù) MIL-STD-883E 和 ESA-SCC 22900 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行的。

這些標(biāo)準(zhǔn)定義和規(guī)范適用于適用于太空應(yīng)用的集成電路和分立半導(dǎo)體器件的穩(wěn)態(tài)輻照測試的方法和要求，并描述了適用于軍事和航空電子系統(tǒng)的微電子器件測試的測量和程序，包括基本環(huán)境測試以確定抵抗自然元素和條件的破壞性影響，通常在軍事和太空行動(dòng)中。

一方面，SiC功率MOSFET表現(xiàn)出對伽馬射線和中子輻照的良好耐受性，但同時(shí)它們對高能重離子引起的單粒子效應(yīng)現(xiàn)象（SEE）的耐受性較低。另一方面，用伽馬射線測試的 GaN 晶體管在總劑量和位移損傷方面表現(xiàn)出顯著的硬度。

更詳細(xì)地說，在大能量范圍［20MeV÷550MeV］的伽馬射線、中子和重離子照射下，SiC功率MOSFET在對總電離劑量的敏感性方面表現(xiàn)出良好的性能，而它們的SOA卻很差（安全操作區(qū)）涉及單事件效應(yīng)（SEE）；相反，用伽馬射線、中子、重離子和低能質(zhì)子照射 GaN 晶體管，它們對 SEE 表現(xiàn)出非常好的 SOA。

經(jīng)過輻照測試后，器件的柵極漏電流可增加一個(gè)數(shù)量級，閾值電壓降低高達(dá) 1 伏特，跨導(dǎo)值顯著下降。

正在進(jìn)行的活動(dòng)

根據(jù)前面的討論，寬帶隙器件對于下一代空間系統(tǒng)的發(fā)展具有重要的戰(zhàn)略意義。

雖然已經(jīng)證明了重要成果，但仍有大量研發(fā)工作要做，以使這些新技術(shù)成熟并確保它們適用于空間應(yīng)用。

歐洲航天局 （ESA） 十多年來一直致力于提高晶體材料的質(zhì)量，以實(shí)現(xiàn)具有更高可靠性和性能的設(shè)備。

已計(jì)劃開展進(jìn)一步的研究工作，以改進(jìn)材料生長過程，同時(shí)優(yōu)化設(shè)備性能，以使 WBG 設(shè)備有資格用于空間應(yīng)用。已經(jīng)預(yù)見到更多的額外任務(wù)，例如，開發(fā)具有適當(dāng)解決方案的先進(jìn)封裝。

特別是，位于 Estec（荷蘭）的 ESA 推出了一系列與 WBG 材料（如 SiC、GaN 和金剛石）特別相關(guān)的活動(dòng)。他們的具體目的是更好地了解和優(yōu)化WBG組件的制造工藝，從而實(shí)現(xiàn)在空間應(yīng)用中的高可靠性運(yùn)行。

在此框架下開發(fā)了安裝在名為“PROBA-V”的衛(wèi)星上的基于 GaN 的 X 波段遙測發(fā)射器的全球首批演示之一，以刺激創(chuàng)建專用于 WBG 組件的歐洲供應(yīng)鏈技術(shù)。

進(jìn)一步的活動(dòng)旨在展示這些新技術(shù)在高工作頻率、高工作電壓和更高工作溫度方面的卓越性能，例如用于光子應(yīng)用的先進(jìn)傳感器。