GaN電晶體在太空中將大有作為

翻譯自——EEtimes

氮化鎵功率電晶體是功率和射頻應用的理想選擇，也可支持極端空間任務。通過全新的eGaN解決方案，EPC Space保證了輻射硬度性能和SEE(單事件效應)免疫力，該設備是專門為商業衛星空間的關鍵應用而設計。這些器件具有極高的電子遷移率和極低的RDS(on)值的低溫係數。

EPC Space.CEO Bel Lazar 表示：「EPC Space是VPT和EPC之間的合資企業。VPT在航空電子、軍事、空間和工業應用領域的功率轉換領域處於領先地位，而EPC在基於GaN的功率轉換技術領域佔據領先。EPC Space是Freebird半導體的繼任者，建立於2015年。」

現代通信衛星的結構設計優化了將其置於適當軌道的過程，並更好地發揮其功能。中心是大部分電子設備、推進系統和相關油箱的位置。

在環繞地球的軌道上的各種衛星和在最遙遠地區的探測衛星上的電子設備不斷地暴露在伽馬射線、中子和重離子中。其中的空間輻射流主要由85%的質子和15%的重原子核組成。輻射的影響會導致器件性能的退化、中斷和不連續。

這種轟擊可以以多種方式破壞半導體，包括晶體的破壞。尤其它可能會在非傳導區引起陷阱，或者產生一團電子空穴對，通過產生短路使設備的運行不平衡。在eGaN裝置中，來自太空的高能粒子不會產生瞬時短路，因為電子空穴對不會產生。

空間輻射

帶電粒子和伽馬射線產生電離作用，可以改變設備的參數。這些變化是根據總電離劑量參數(TID)估計的。吸收的電離劑量通常用Rads來測量，即每克物質所吸收的能量為100ergs。衛星任務的持續時間可以長達數年，因此可以積累較大的TID值。一些深空任務需要10兆Rads，矽不能支持它們。抗雷達強度要求決定了電子元件從頭設計以承受輻射的影響。

上圖是一個典型的矽MOSFET的橫截面。它是一個垂直裝置，源極和柵極在上表面，漏極在下表面。柵極與溝道被一層二氧化矽隔開。在矽基MOSFET中，輻射通過觸發柵極中的正電荷來破壞氧化物基上的電子，從而降低閾值電壓，直到電晶體從正常關閉(或增強模式)到正常打開(或耗盡模式)狀態。為了達到等效的操作，你將需要一個負電壓來關閉MOSFET。

單事件柵斷裂(SEGR)在MOSFET中由高能原子在柵氧化層上產生高的瞬態電場，導致柵氧化層破裂。

高能粒子通過產生大量電子對和空穴而失去能量。後者會在設備中引起瞬間短路，從而破壞設備。在某些情況下，它甚至會對其他組件造成損害，在這種情況下，會引用單個事件顛覆(SEU)。

EPC CEO Alex Lidow：「粒子避開了門極,告訴通過了設備的另一部分, 這個粒子的能量不僅造成晶體損害，但它也造成了巨大的電子和空穴雲,在這一過程中,設備將出現瞬時短路。我們稱之為單事件顛覆。」

eGaN電晶體

與矽MOSFET相比，增強模式的GaN (eGaN)器件擁有不同的構造。所有三個端子都位於頂部表面。在矽MOSFET中，源極和柵極之間的傳導通過將柵電極從零伏極化到正值(5V)來調節。柵極與下面的通道被一層氮化鋁和鎵隔開。當受到伽馬輻射時，這一層不會累積電荷。

Alex Lidow：「氮化鎵本身就是總劑量的輻射，這是整個設備壽命積累的輻射。然而，為了能夠承受單一的事件，你必須設計一種不同於商業設備的產品。」

「在氮化鎵器件中，我們沒有氧化物。所以不存在單一的事件——門極破裂。在GaN中沒有空穴可傳導，所以沒有單一的事件被擾亂。」

為了演示eGaN器件的性能，EPC空間的100v系列eGaN電晶體經受住了500克的伽瑪輻射。測量測試持續時間、從漏極到源極和從柵極到源極的洩漏電流、以及各個檢查點的器件的閾值電壓和導通電阻，確認器件性能沒有顯著變化。

「對於單事件效應，我們開發了一個非常有趣的雷射測試，我們可以用緊密聚焦的雷射模擬高能粒子。我們可以移除設備的背面，用雷射穿過氮化鎵，看看哪些地方容易受到攻擊。了解這些設備最薄弱的部分，使我們能夠改進我們的設計。」

下圖顯示了重離子轟擊下eGaN設備的主要失效機制。在偏振光器件上，85 LETs的光束大約是可能的最大值。

垂直軸為裝置的洩漏電流，水平軸為裝置每平方釐米吸收的重離子數。虛線為柵極至源極電流洩漏電流，實線表示三根eGaN FBG10N30 100V的洩漏電流洩放源。與漏極-源極洩漏不同，電流洩漏Ig在轟擊期間不改變，漏極-源極洩漏隨著轟擊的增加而增加。源極電流的增加是eGaN器件在重離子轟擊下的主要失效模式，通過雷射測試，我們已經大大改進了這一機制。

此外，GaN輻射優於中子輻射，因為它比矽具有更高的位移閾值能量。

氮化鎵可用於製造半導體器件，如二極體和電晶體。基於它的小型化的形狀因素和高效率，電源設計人員可以選擇氮化鎵電晶體而不是矽。此外，與熱管理要求較高的矽器件相比，氮化鎵電晶體耗能更少，導熱係數更高。新的電源設備本身也具有抗輻射(雷達硬)，並提供了高達600℃的理論結溫操作。

Alex Lidow 介紹：「在太空任務中，所涉及的電壓實際上比大多數交流線路電壓要低，可以達到200-300V之間。在這個範圍內，氮化鎵的性能要比碳化矽高得多。而且，在未來，氮化鎵作為橫向裝置更容易集成。因此，我們已經在太空中使用集成電路，隨著集成電路密度的提高，其性能會越來越好。另一件事是碳化矽，它往往是MOS電晶體。這個氧化物不是天然的氧化物。所以它在總入射劑量上比矽MOSFET有更大的問題。」

衛星內的電力負荷可以有很大的變化，這取決於子系統和要執行的功能。衛星供電系統的保護對於防止供電單元出現故障是至關重要，這些故障可能會降低衛星供電系統的性能，甚至使衛星失去服務。

氮化鎵可用於射頻和功率轉換的關鍵領域。

eGaN FET提供了耐輻射，快速的開關速度，提高效率，使得更小更輕的電源供應通過增加頻率允許更小的電感和提供良好的效率。同時，eGaN FET也比等效的MOSFET小。

氮化鎵功率電晶體是空間功率轉換應用的理想選擇。當暴露於各種形式的輻射時，eGaN設備比高rad 的MOSFET更耐用。氮化鎵的電和熱性能也在空間環境中顯示出優越的運行性能。