为什么在太空中使用GaN？

技术分享GaN技术杂谈 – Alex Lidow, Ph.D. 6月 28, 2020

封装的SEE免疫和抗辐射增强模式氮化镓（eGaN）器件在性能上显著优于老化的抗辐射硅MOSFET，能够在更高频率、更高效率和更高功率密度下工作，从而实现新一代的太空电源转换器。

太空中的辐射

半导体在太空中会经历几种类型的辐射。在地球轨道上的卫星或探索太阳系最遥远部分的卫星上，所有器件都会经历某种形式的高能辐射轰击。主要有三种辐射类型：伽马辐射、中子辐射和重离子轰击。

高能粒子可以通过三种主要方式对半导体造成损害：它可以在非导电层中产生陷阱，可以对晶体造成物理损伤（也称为位移损伤），或者可以生成一个电子-空穴对云，导致器件瞬间导电，甚至在过程中烧毁。

与硅器件相比，氮化镓器件的物理特性和结构使其对太空中辐射造成的损伤具有更高的免疫力。

伽马辐射

eGaN器件的构造与硅MOSFET非常不同。氮化镓场效应晶体管（GaN FET）的所有三个端子（栅极、源极和漏极）都位于顶层表面。与硅MOSFET类似，通过将栅极电极的电压从零伏偏置到正电压来调节源漏之间的导电性。在eGaN FET中，栅极与下层通道之间由一层铝镓氮分离。这一层在受到伽马辐射时不会积累电荷。

EPC Space将100V系列的eGaN晶体管暴露在500 kRad(Si)的伽马辐射下。测量了漏源电流、栅源电流、阈值电压和导通电阻，确认器件性能没有显著变化。随后，这些器件被暴露在50 MRads(Si)的环境下，确认eGaN器件在任何太空系统中都不会成为首先因伽马辐射而失效的部分。

中子辐射

在中子轰击下，器件的主要失效机制是位移损伤。高能中子会散射晶格中的原子并留下晶格缺陷。与伽马辐射一样，中子对氮化镓晶体及整个器件结构的影响微乎其微。

氮化镓在中子辐射下性能优越的原因是氮化镓的位移阈值能量远高于硅。在图2中，纵轴表示位移能量，横轴表示晶格常数的倒数。可以看出，氮化镓的位移能量明显高于硅。

单事件效应

在硅MOSFET中，重离子引起的主要失效机制有两种：单事件栅极破裂（SEGR）和单事件烧毁（SEB）。SEGR是由于能量原子在栅氧化物上产生极高瞬态电场导致栅氧化物破裂。SEB则是由于能量粒子穿过器件的漂移区（存在相对较高的电场）。能量粒子在产生大量电子-空穴对的同时损失能量。单事件烧毁（SEB）是由于能量粒子穿过器件的漂移区，产生大量电子-空穴对，导致器件瞬间短路，这种短路可能会毁坏器件，也可能器件能幸存，但会出现瞬间短路，导致系统其他组件受损，称为单事件翻转（SEU）。

由于eGaN器件没有栅氧化物，它们不易发生单事件栅极破裂。由于eGaN器件无法有效导通大量空穴，它们也不易发生单事件翻转。图3展示了eGaN器件在重离子轰击下的主要失效机制。条件是最大可能条件，即85 MeVcm²/mg（LET）金原子束轰击数据表极限偏置的器件。纵轴是器件漏电流，横轴是器件每平方厘米吸收的重离子数量。虚线表示栅源漏电流，实线表示三个FBG10N30 100V eGaN晶体管的漏源漏电流。注意在轰击期间栅漏电流没有上升。然而，随着重离子造成的位移损伤增加，漏源漏电流开始上升，但器件在数据表限制内仍然保持在10⁶离子/cm²以上。