氮化鎵 （GaN） 繼續其接管宇宙光譜的使命。GaN 的長期存在并未結束，它憑借其功率晶體管進入太空，這是支持極端太空任務的電源和射頻應用的理想選擇。EPC Space 通過其新的 eGaN 解決方案看到了這一點。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）抗擾度，其器件專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 R DS （on） 值的低溫系數。

EPC Space 首席執行官 （CEO） Bel Lazar 表示：“EPC Space 是 VPT 和 EPC 的合資企業。VPT 是航空電子、軍事、太空和工業應用功率轉換的領導者，而 EPC 是基于 GaN 的功率轉換技術的領導者。EPC Space 是 Freebird Semiconductor 的繼任者，成立于 2015 年。”

現代電信衛星具有一種結構，可以優化將它們置于適當軌道并使其發揮作用的過程。該衛星由大部分電子設備所在的中央部分組成，還具有推進系統，相關坦克位于其中，而在地球軌道上的各種衛星上的電子設備。位于最遠區域的探測衛星通過伽馬射線、中子和重離子體驗某種形式的能量。

空間輻射流主要由 85% 的質子和 15% 的重核組成。輻射的影響會導致設備性能的退化、中斷和不連續。

這種轟擊會對半導體造成一系列損害，例如晶體的破壞。特別是，它可能會在非導電區造成陷阱，或產生一團電子-空穴對，通過產生短路使器件的運行失衡。在 eGaN 器件中，來自太空的高能粒子不能產生短暫的短途路徑，因為電子-空穴對不共存。

空間輻射

帶電粒子和伽馬射線會產生電離，從而改變設備的參數。這些變化存在于總電離劑量參數 （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。衛星任務的持續時間可以持續數年，因此可以存儲大的 TID 值。一些深空任務需要十 （10） 兆拉德，因為硅無法支持它們。抗輻射要求決定了從頭開始設計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，直到晶體管從常規關閉或增強模式變為平均開啟或耗盡模式狀態。要實現等效操作，您將需要一個負電壓來關閉 MOSFET。

由于高能輻射在空間環境中發生的單事件效應（SEE）是不可預測的，并且可能在航天器任務期間的任何時間發生。SEE由幾種現象組成；瞬態效應（或軟錯誤），例如單事件瞬態 （SET）、單事件翻轉 （SEU）、災難性效應，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 SEE 背后的機制都包括在粒子通過后設備敏感區域中的電荷積累。

單事件柵極破裂是由高能原子觸發柵極氧化物上的高瞬態電場導致柵極氧化物破裂，如圖 2 所示。當高能粒子穿過柵極氧化物時，會導致單事件燒毀或 SEB器件的漂移區，其中存在相對較高的電場。

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生高瞬態電場引起，從而使柵極氧化物破裂

高能粒子通過產生大量電子對和空穴而失去能量。后者會導致損壞它的設備中的瞬時短路。在某些情況下，它甚至可能對其他組件造成損壞，但在這種情況下，參考的是單事件翻轉 （SEU）。

“發生的情況是，當它錯過門并穿過設備的另一部分時，這種粒子的能量會對晶體造成損壞，產生巨大的電子和空穴云，從而使設備體驗瞬間短路。這就是所謂的單事件擾動，”EPC 首席執行官 （CEO） 亞歷克斯·利多 （Alex Lidow） 說。

氮化鎵晶體管

與硅 MOSFE T相比，增強模式下的 GaN （eGaN?） 器件的構造不同。所有三個端子都位于頂部表面。與硅 MOSFET 一樣，源極和柵極之間的傳導通過將柵電極從零伏特極化到正值 （5V） 來調制。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不會積累電荷（圖 3）。

圖 3：典型增強型 GaN （eGaN?） 器件的橫截面

“從總劑量來看，GaN 本質上是難以輻射的，這是輻射在整個設備生命周期中的累積。然而，為了能夠承受單一事件，您必須對它們進行不同于商業設備的設計，”EPC Space 首席執行官 （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 晶體管經受了 500 kRad 的伽馬輻射。在測試期間，在各個檢查點測量了從漏極到源極和柵極到基礎的漏電流，以及器件的閾值電壓和導通電阻，以確認器件性能沒有顯著變化。

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

圖 4 顯示了 eGaN 器件在重離子轟擊下的主要失效機制。在偏振器件上使用 85 LET 的金原子束時，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 主要失效機制

縱軸是器件的漏電流，橫軸是每平方厘米機構吸收的重離子數。虛線表示柵源漏電流，實線表示三個 eGaN FBG10N30 100V 漏源漏電流。與漏源漏電流不同，漏源電流 Ig 在轟擊過程中不會改變，漏源漏電流會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，這也是我們改進的機制，這要歸功于激光測試。

此外，GaN 優于中子輻射，因為與硅相比，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倒數的比較

GaN 可用于制造半導體器件，例如二極管和晶體管。電源設計人員可以選擇 GaN 晶體管而不是硅，因為它具有小尺寸和高效率。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率。新的功率器件本質上還具有抗輻射（rad-hard）特性，并提供高達 600C 的推測結溫操作。

“在太空任務中，所涉及的電壓低于大多數交流線路電壓，因此最好使用 200 伏和有時 300 伏的設備。而在這個范圍內，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，我們已經在太空中飛行了集成電路，隨著時間的推移，這將變得更好、更可靠，集成電路的密度會得到更多的提高。

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，它在總入射劑量方面比硅 MOSFET 存在更大的問題，”Lidow 說。

衛星中的電氣負載可能會有很大差異，具體取決于所實現的子系統和功能。對衛星電力系統的保護對于防止提供的可能使其性能下降甚至停止服務的單元發生故障至關重要。

可以使用 GaN 的關鍵領域是射頻和功率轉換。eGaN FET 可提供輻射耐受性、快速開關速度、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力，從而實現更小、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換應用的理想選擇。當暴露于各種形式的輻射時，eGaN 器件比硬輻射 MOSFET 更堅固。GaN 的電學和熱學性能在空間環境中也表現出卓越的操作性。

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

審核編輯：郭婷