GAN晶体管「锗晶体管」

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翻译自——EEtimes

氮化镓功率晶体管是功率和射频应用的理想选择，也可支持极端空间任务。通过全新的eGaN解决方案，EPC Space保证了辐射硬度性能和SEE(单事件效应)免疫力，该设备是专门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RDS(on)值的低温系数。

EPC Space.CEO Bel Lazar 表示：“EPC Space是VPT和EPC之间的合资企业。VPT在航空电子、军事、空间和工业应用领域的功率转换领域处于领先地位，而EPC在基于GaN的功率转换技术领域占据领先。EPC Space是Freebird半导体的继任者，建立于2015年。”

现代通信卫星的结构设计优化了将其置于适当轨道的过程，并更好地发挥其功能。中心是大部分电子设备、推进系统和相关油箱的位置。

在环绕地球的轨道上的各种卫星和在最遥远地区的探测卫星上的电子设备不断地暴露在伽马射线、中子和重离子中。其中的空间辐射流主要由85%的质子和15%的重原子核组成。辐射的影响会导致器件性能的退化、中断和不连续。

这种轰击可以以多种方式破坏半导体，包括晶体的破坏。尤其它可能会在非传导区引起陷阱，或者产生一团电子空穴对，通过产生短路使设备的运行不平衡。在eGaN装置中，来自太空的高能粒子不会产生瞬时短路，因为电子空穴对不会产生。

空间辐射

带电粒子和伽马射线产生电离作用，可以改变设备的参数。这些变化是根据总电离剂量参数(TID)估计的。吸收的电离剂量通常用Rads来测量，即每克物质所吸收的能量为100ergs。卫星任务的持续时间可以长达数年，因此可以积累较大的TID值。一些深空任务需要10兆Rads，硅不能支持它们。抗雷达强度要求决定了电子元件从头设计以承受辐射的影响。

上图是一个典型的硅MOSFET的横截面。它是一个垂直装置，源极和栅极在上表面，漏极在下表面。栅极与沟道被一层二氧化硅隔开。在硅基MOSFET中，辐射通过触发栅极中的正电荷来破坏氧化物基上的电子，从而降低阈值电压，直到晶体管从正常关闭(或增强模式)到正常打开(或耗尽模式)状态。为了达到等效的操作，你将需要一个负电压来关闭MOSFET。

单事件栅断裂(SEGR)在MOSFET中由高能原子在栅氧化层上产生高的瞬态电场，导致栅氧化层破裂。

高能粒子通过产生大量电子对和空穴而失去能量。后者会在设备中引起瞬间短路，从而破坏设备。在某些情况下，它甚至会对其他组件造成损害，在这种情况下，会引用单个事件颠覆(SEU)。

EPC CEO Alex Lidow：“粒子避开了门极,告诉通过了设备的另一部分, 这个粒子的能量不仅造成晶体损害，但它也造成了巨大的电子和空穴云,在这一过程中,设备将出现瞬时短路。我们称之为单事件颠覆。”

eGaN晶体管

与硅MOSFET相比，增强模式的GaN (eGaN)器件拥有不同的构造。所有三个端子都位于顶部表面。在硅MOSFET中，源极和栅极之间的传导通过将栅电极从零伏极化到正值(5V)来调节。栅极与下面的通道被一层氮化铝和镓隔开。当受到伽马辐射时，这一层不会累积电荷。

Alex Lidow：“氮化镓本身就是总剂量的辐射，这是整个设备寿命积累的辐射。然而，为了能够承受单一的事件，你必须设计一种不同于商业设备的产品。”

“在氮化镓器件中，我们没有氧化物。所以不存在单一的事件——门极破裂。在GaN中没有空穴可传导，所以没有单一的事件被扰乱。”

为了演示eGaN器件的性能，EPC空间的100v系列eGaN晶体管经受住了500克的伽玛辐射。测量测试持续时间、从漏极到源极和从栅极到源极的泄漏电流、以及各个检查点的器件的阈值电压和导通电阻，确认器件性能没有显著变化。

“对于单事件效应，我们开发了一个非常有趣的激光测试，我们可以用紧密聚焦的激光模拟高能粒子。我们可以移除设备的背面，用激光穿过氮化镓，看看哪些地方容易受到攻击。了解这些设备最薄弱的部分，使我们能够改进我们的设计。”

下图显示了重离子轰击下eGaN设备的主要失效机制。在偏振光器件上，85 LETs的光束大约是可能的最大值。

垂直轴为装置的泄漏电流，水平轴为装置每平方厘米吸收的重离子数。虚线为栅极至源极电流泄漏电流，实线表示三根eGaN FBG10N30 100V的泄漏电流泄放源。与漏极-源极泄漏不同，电流泄漏Ig在轰击期间不改变，漏极-源极泄漏随着轰击的增加而增加。源极电流的增加是eGaN器件在重离子轰击下的主要失效模式，通过激光测试，我们已经大大改进了这一机制。

此外，GaN辐射优于中子辐射，因为它比硅具有更高的位移阈值能量。

氮化镓可用于制造半导体器件，如二极管和晶体管。基于它的小型化的形状因素和高效率，电源设计人员可以选择氮化镓晶体管而不是硅。此外，与热管理要求较高的硅器件相比，氮化镓晶体管耗能更少，导热系数更高。新的电源设备本身也具有抗辐射(雷达硬)，并提供了高达600℃的理论结温操作。

Alex Lidow 介绍：“在太空任务中，所涉及的电压实际上比大多数交流线路电压要低，可以达到200-300V之间。在这个范围内，氮化镓的性能要比碳化硅高得多。而且，在未来，氮化镓作为横向装置更容易集成。因此，我们已经在太空中使用集成电路，随着集成电路密度的提高，其性能会越来越好。另一件事是碳化硅，它往往是MOS晶体管。这个氧化物不是天然的氧化物。所以它在总入射剂量上比硅MOSFET有更大的问题。”

卫星内的电力负荷可以有很大的变化，这取决于子系统和要执行的功能。卫星供电系统的保护对于防止供电单元出现故障是至关重要，这些故障可能会降低卫星供电系统的性能，甚至使卫星失去服务。

氮化镓可用于射频和功率转换的关键领域。

eGaN FET提供了耐辐射，快速的开关速度，提高效率，使得更小更轻的电源供应通过增加频率允许更小的电感和提供良好的效率。同时，eGaN FET也比等效的MOSFET小。

氮化镓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设备比高rad 的MOSFET更耐用。氮化镓的电和热性能也在空间环境中显示出优越的运行性能。