為什麼選擇氮化鎵（GaN）在太空應用？

技術分享雜談GaN技術 – Alex Lidow, Ph.D. 六月 28, 2020

包裝的SEE免疫和抗輻射增強型氮化鎵（eGaN）器件相比老化的抗輻射硅MOSFET提供了顯著提升的性能，使得新一代電源轉換器在太空中能夠在更高頻率、更高效率和更高功率密度下運行，達到前所未有的水平。

太空中的輻射

半導體在太空中會經歷幾種不同類型的輻射。在繞地球軌道運行的衛星或探索我們太陽系最遙遠部分的衛星中，所有設備都會遭受某種形式的高能輻射轟擊。三種主要的輻射類型是伽瑪輻射、中子輻射和重離子轟擊。

高能粒子可以通過三種主要方式對半導體造成損害；它可以在非導電層中產生陷阱，造成晶體物理損害——也稱為位移損害，或者它可以產生電子-空穴對雲，導致器件瞬間導通，並可能在此過程中燒毀。

與硅相比，氮化鎵器件的物理特性和構造使得氮化鎵對太空輻射損害具有更強的免疫力。

伽瑪輻射

eGaN器件的構造與硅MOSFET非常不同。氮化鎵FET的所有三個端子；閘極、源極和漏極，都位於頂表面。類似於硅MOSFET，源極和漏極之間的導通是通過將閘極電極從零電壓偏置到正電壓來調節的。在eGaN FET中，閘極與下方通道之間由一層鋁鎵氮化物分隔。當暴露於伽瑪輻射時，這層不會積累電荷。

EPC Space將100 V系列的eGaN晶體管暴露於500 kRad(Si)的伽瑪輻射下。測量了從漏極到源極和從閘極到源極的漏電流，以及器件在各個檢查點的閾值電壓和導通電阻，確認器件性能沒有顯著變化。隨後，器件被暴露於50 MRads(Si)，證實了eGaN器件不會成為任何太空系統中因伽瑪輻射而首先失效的部件。

中子輻射

設備在中子轟擊下的主要失效機制是位移損害。高能中子會與晶格中的原子散射，留下晶格缺陷。與伽瑪輻射一樣，中子對氮化鎵晶體和整個器件結構的影響是最小的。

氮化鎵在中子輻射下表現優異的原因是，與硅相比，氮化鎵具有更高的位移閾能。在圖2中，你可以看到垂直軸上的位移能量與各種晶體的晶格常數的倒數的比較。請注意氮化鎵的位移能量遠高於硅。

單事件效應

在硅MOSFET中，重離子造成的兩個主要失效機制是單事件閘極破裂（SEGR）和單事件燒毀（SEB）。SEGR是由高能原子在閘極氧化物上產生的瞬態高電場造成的，導致閘極氧化物破裂。而SEB則是在重離子穿越器件的漂移區域時造成的，在這些區域存在相對較高的電場。高能粒子在產生大量的電子-空穴對時失去能量。單事件燒毀（SEB）是由高能粒子穿越器件的漂移區域時引起的，在這些區域存在相對較高的電場。高能粒子在產生大量的電子-空穴對時失去能量。這些電子-空穴對會導致器件在漏極和源極之間瞬間短路。這種短路可能會摧毀器件，這被稱為單事件燒毀，或者器件可以存活，但會出現瞬間短路，這可能會對系統中的其他組件造成損害，稱為單事件擾亂（SEU）。

由於eGaN器件沒有閘極氧化物，它們不容易發生單事件閘極破裂。由於eGaN器件沒有有效地導通大量空穴的能力，它們也不容易發生單事件擾亂。圖3中顯示了eGaN器件在重離子轟擊下的主要失效機制。條件是最大可能的條件，用85 MeVcm²/mg（LET）的金原子束轟擊器件，並在最大數據表限制下偏置。垂直軸是器件的漏電流，而水平軸是每平方厘米吸收的重離子數。虛線顯示了閘極到源極的漏電流，實線顯示了三個FBG10N30 100 V eGaN晶體管的漏極到源極的漏電流。注意，在轟擊過程中，閘極漏電流沒有上升。然而，隨著重離子的位移損害增加，漏源漏電流開始上升，但器件在超過10⁶離子/cm²後仍保持在數據表限制內。