太空任务中的eGaN晶体管泊位

氮化镓 （GaN） 继续其接管宇宙光谱的使命。GaN 的长期存在并未结束，它凭借其功率晶体管进入太空，这是支持极端太空任务的电源和射频应用的理想选择。EPC Space 通过其新的 eGaN 解决方案看到了这一点。EPC Space的新型 eGaN 解决方案保证了辐射硬度性能和 SEE（单粒子效应）抗扰度，其器件专为商业卫星空间的关键应用而设计。这些器件具有极高的电子迁移率和极低的 R DS （on） 值的低温系数。

EPC Space 首席执行官 （CEO） Bel Lazar 表示：“EPC Space 是 VPT 和 EPC 的合资企业。VPT 是航空电子、军事、太空和工业应用功率转换的领导者，而 EPC 是基于 GaN 的功率转换技术的领导者。EPC Space 是 Freebird Semiconductor 的继任者，成立于 2015 年。”

现代电信卫星具有一种结构，可以优化将它们置于适当轨道并使其发挥作用的过程。该卫星由大部分电子设备所在的中央部分组成，还具有推进系统，相关坦克位于其中，而在地球轨道上的各种卫星上的电子设备。位于最远区域的探测卫星通过伽马射线、中子和重离子体验某种形式的能量。

空间辐射流主要由 85% 的质子和 15% 的重核组成。辐射的影响会导致设备性能的退化、中断和不连续。

这种轰击会对半导体造成一系列损害，例如晶体的破坏。特别是，它可能会在非导电区造成陷阱，或产生一团电子-空穴对，通过产生短路使器件的运行失衡。在 eGaN 器件中，来自太空的高能粒子不能产生短暂的短途路径，因为电子-空穴对不共存。

空间辐射

带电粒子和伽马射线会产生电离，从而改变设备的参数。这些变化存在于总电离剂量参数 （TID） 方面。吸收的电离剂量存在于 Rads 中，即每克材料 100 ergs 的吸收能量。卫星任务的持续时间可以持续数年，因此可以存储大的 TID 值。一些深空任务需要十 （10） 兆拉德，因为硅无法支持它们。抗辐射要求决定了从头开始设计电子元件以承受辐射的影响。

图 1：典型硅 MOSFET 的横截面

图 1 是普通硅 MOSFET 的横截面。它是一种垂直器件，源极和栅极在顶面，漏极在底面。入口与通道之间由一层二氧化硅隔开。在基于硅的 MOSFET 中，辐射通过触发栅极中的正电荷来破坏该氧化物基体上的电子，从而降低电压阈值，直到晶体管从常规关闭或增强模式变为平均开启或耗尽模式状态。要实现等效操作，您将需要一个负电压来关闭 MOSFET。

由于高能辐射在空间环境中发生的单事件效应（SEE）是不可预测的，并且可能在航天器任务期间的任何时间发生。SEE由几种现象组成；瞬态效应（或软错误），例如单事件瞬态 （SET）、单事件翻转 （SEU）、灾难性效应，例如单事件烧毁 （SEB）、单事件栅极破裂 （SEGR） 和单事件闩锁 （SEL） 。 每个 SEE 背后的机制都包括在粒子通过后设备敏感区域中的电荷积累。

单事件栅极破裂是由高能原子触发栅极氧化物上的高瞬态电场导致栅极氧化物破裂，如图 2 所示。当高能粒子穿过栅极氧化物时，会导致单事件烧毁或 SEB器件的漂移区，其中存在相对较高的电场。

图 2：MOSFET 中的单事件栅极破裂 （SEGR） 由高能原子在栅极氧化物上产生高瞬态电场引起，从而使栅极氧化物破裂

高能粒子通过产生大量电子对和空穴而失去能量。后者会导致损坏它的设备中的瞬时短路。在某些情况下，它甚至可能对其他组件造成损坏，但在这种情况下，参考的是单事件翻转 （SEU）。

“发生的情况是，当它错过门并穿过设备的另一部分时，这种粒子的能量会对晶体造成损坏，产生巨大的电子和空穴云，从而使设备体验瞬间短路。这就是所谓的单事件扰动，”EPC 首席执行官 （CEO） 亚历克斯·利多 （Alex Lidow） 说。

氮化镓晶体管

与硅 MOSFE T相比，增强模式下的 GaN （eGaN®） 器件的构造不同。所有三个端子都位于顶部表面。与硅 MOSFET 一样，源极和栅极之间的传导通过将栅电极从零伏特极化到正值 （5V） 来调制。栅极通过一层氮化铝和镓与下面的通道隔开。该层在受到伽马辐射时不会积累电荷（图 3）。

图 3：典型增强型 GaN （eGaN®） 器件的横截面

“从总剂量来看，GaN 本质上是难以辐射的，这是辐射在整个设备生命周期中的累积。然而，为了能够承受单一事件，您必须对它们进行不同于商业设备的设计，”EPC Space 首席执行官 （CEO） Bel Lazar 说。

“在 GaN 器件中，我们没有氧化物。所以我们没有单一的事件，门破裂。EPC 首席执行官 （CEO） 亚历克斯·利多 （Alex Lidow） 表示：

为了展示 eGaN 器件的性能，EPC Space 的 100 V 系列 eGaN 晶体管经受了 500 kRad 的伽马辐射。在测试期间，在各个检查点测量了从漏极到源极和栅极到基础的漏电流，以及器件的阈值电压和导通电阻，以确认器件性能没有显着变化。

Lidow 解释说，他的组织为单事件效应 （SEE） 开发了一个有趣的激光测试，我们可以使用紧密聚焦的激光模拟高能粒子。我们可以去掉设备的背面，用激光射穿氮化镓，看看哪些区域是脆弱的。了解设备最薄弱的部分使我们能够改进我们的设计，”说。

图 4 显示了 eGaN 器件在重离子轰击下的主要失效机制。在偏振器件上使用 85 LET 的金原子束时，这些条件大约是最大可能的。

图 4：重离子轰击下 eGaN 器件的 SEE 主要失效机制

纵轴是器件的漏电流，横轴是每平方厘米机构吸收的重离子数。虚线表示栅源漏电流，实线表示三个 eGaN FBG10N30 100V 漏源漏电流。与漏源漏电流不同，漏源电流 Ig 在轰击过程中不会改变，漏源漏电流会随着轰击的增加而增加。

漏源漏电流的增加是 eGaN 器件在重离子轰击下的主要失效模式，这也是我们改进的机制，这要归功于激光测试。

此外，GaN 优于中子辐射，因为与硅相比，它具有更高的位移阈值能量（图 5）。

图 5：位移能量与各种晶体的晶格常数倒数的比较

GaN 可用于制造半导体器件，例如二极管和晶体管。电源设计人员可以选择 GaN 晶体管而不是硅，因为它具有小尺寸和高效率。与具有更高热管理要求的硅器件相比，GaN 晶体管还消耗更少的功率并提供更高的热导率。新的功率器件本质上还具有抗辐射（rad-hard）特性，并提供高达 600C 的推测结温操作。

“在太空任务中，所涉及的电压低于大多数交流线路电压，因此最好使用 200 伏和有时 300 伏的设备。而在这个范围内，GaN只是性能比碳化硅高很多，所以是更好的选择。此外，展望未来，氮化镓作为横向器件更容易集成。因此，我们已经在太空中飞行了集成电路，随着时间的推移，这将变得更好、更可靠，集成电路的密度会得到更多的提高。

另一件事是碳化硅如果是晶体管，它往往是MOS晶体管。并且该氧化物不是天然氧化物。因此，它在总入射剂量方面比硅 MOSFET 存在更大的问题，”Lidow 说。

卫星中的电气负载可能会有很大差异，具体取决于所实现的子系统和功能。对卫星电力系统的保护对于防止提供的可能使其性能下降甚至停止服务的单元发生故障至关重要。

可以使用 GaN 的关键领域是射频和功率转换。eGaN FET 可提供辐射耐受性、快速开关速度、更高的效率，通过提高频率以允许使用更小的电感器并提供生产力，从而实现更小、更轻的电源。eGaN FET 也比等效的 MOSFET 更小。

GaN功率晶体管是空间功率转换应用的理想选择。当暴露于各种形式的辐射时，eGaN 器件比硬辐射 MOSFET 更坚固。GaN 的电学和热学性能在空间环境中也表现出卓越的操作性。

图 6：来自 VPT 的 SGRB10028S 转换器使用 EPC Space GaN 器件的照片和典型测量的效率

审核编辑：郭婷