宽带隙器件对于下一代空间系统的发展具有重要意义

长期以来，硅基器件一直是半导体领域的基准标准。从 2007 年开始，由于摩尔定律的失败，复合材料被开发出来，特别关注宽带隙半导体，因为它们利用了重要的特性，与传统的硅对应物（如电力电子）相比，它们可以实现具有卓越性能的器件。

已经开发的最成熟的宽带隙 （WBG） 半导体材料是氮化镓和碳化硅。与 IGBT 和 Power 等硅功率器件相比，基于此类材料的器件（例如 GaN HEMT 和 SiC MOSFET）正在成为管理快速开关设备中高功率水平的首选解决方案，并在许多关键应用中表现出更好的性能MOSFET。

由于新的 WBG 半导体器件能够管理比传统器件更高的功率密度，因此可以在相同性能水平的情况下显着减小尺寸，简化热管理，节省散热器和相关成本：提高击穿电压、高电子迁移率、和饱和速度使它们成为高功率和高温应用的正确选择。

此外，更高的临界电场值使这些化合物对于实现具有出色的特定 Rds-on 值（即导通状态等效电阻）的电源开关非常有吸引力。基于这些新的关键因素，可以显着降低导通状态下的功率损耗。同时，由于输入电容低于硅功率晶体管，这类新器件还能够降低开关功率损耗。

WBG 设备的优势

WBG器件在效率和功率密度方面的优势是无可争议的。

对这两个关键特征的改进推动了当今多个全球工业领域的创新，例如数据中心、可再生能源、消费电子产品以及电动汽车和自动驾驶汽车。GaN ad SiC 组件可以提供比传统竞争对手更高的功率密度和更高的效率，这些改进为消费者和公司带来了广泛的好处，无论是更小的外形尺寸还是消费者适配器中更快的充电速率，还是冷却成本数据中心的节能和电力浪费。

即使在射频和微波应用中，使用可用的硅射频功率器件也无法轻松满足对越来越高工作频率的要求。

由于击穿电压低，不可能设计和制造能够提供数百或数千瓦的射频输出功率的硅晶体管，这个问题严重限制了固态器件在高电压中的使用。功率射频和微波应用。最近在诸如 SiC 和 GaN 等宽带隙半导体材料的生长方面取得了进步，使得能够生产出具有令人印象深刻的射频性能的器件，从而为开发基于微波固态晶体管的新设计提供了机会，这些晶体管展示了以前只能通过使用微波才能实现的性能真空管。

与标准硅技术相比，基于氮化镓和碳化硅的器件的另一个非常有趣的优势是这两种复合材料显示出的高水平辐射硬度，这为军事和太空市场的广泛应用打开了大门。与硅对应的器件相比，GaN 和 SiC 器件对恶劣辐射环境中的电离事件造成的损坏和故障的耐受性要好得多。

功率器件：辐射的影响

通常，在多种应用中必须满足对抗辐射电子系统的严格要求，以保证电子设备和电路能够承受环境中典型的高水平电离辐射和/或高能电磁辐射造成的损坏比如太空和高空飞行、粒子加速器和核反应堆，包括核事故。

不幸的是，某些类型的半导体容易受到辐射损伤，并且可以通过适当的设计和制造变化来实现抗辐射组件，这有助于降低它们对辐射引起的损伤的敏感性。

例如，具有封闭栅极布局的分布式 MOSFET 结构，配备环形保护环；对电离辐射的影响表现出增强的抵抗力。解决方案的其他示例由环形源或双漏技术表示。

尤其是空间环境，可能会出现能够影响并在许多情况下降低设备和材料特性的条件，从而影响重要系统的正确运行。

空间合格设备的主要要求是长期运行的高可靠性。事实上，辐射效应会导致设备性能中断、退化，以及一般情况下的不连续性。

例如，用于空间应用的电子设备会因被困在地球磁场中的质子和电子而受到损坏；空间辐射通量主要由 85% 的质子和 15% 的重核组成；这些效应称为单事件效应 （SEE）。空间辐射的另一个重要影响是总电离剂量 （TID）。

这两个概念之间的区别非常简单：SEE 是单个高能粒子撞击电子设备所产生的结果，而 TID 与长时间暴露于电离辐射所产生的影响有关。

在电子设备的情况下，TID 通常以“rad”（辐射吸收剂量）为单位，这是用于测量材料、物体或人吸收的辐射总量的单位之一；它反映了暴露于放射源的材料中沉积的能量总量。

吸收的辐射剂量，以拉德表示，是沉积在任何物质（如水、空气或组织）中的能量（来自任何类型的电离辐射）；1 拉德的剂量对应于 100 克材料中沉积的 100 尔格的总能量。在国际体系中，总辐射剂量的计量单位是格雷（Gy）：1Gy相当于100rad。

考虑到特定设备，其剂量辐射阈值代表导致设备故障的最低 TID 水平：大多数宣称“抗辐射”的商业设备在功能故障发生之前能够承受高达 5krad 的强度。

辐射硬化产品通常会针对一种或多种并发效应进行测试，例如 TID ELDRS（增强的低剂量率效应）、中子和质子造成的位移损伤。

关于单事件效应，它们在航天器和卫星等环境中发挥着非常重要的作用，因为这些系统工作的环境中存在高通量的质子和离子。

电子电路中一系列不同类型的 SEE 可以识别如下。

SEU （Single Event Upset） 代表一种状态变化，通常在数字电路中，由于单个电离粒子（离子、电子、光子等）撞击电子设备中的敏感点。

SET（单事件瞬态）发生在高能亚原子粒子撞击组合逻辑元素时。粒子沉积的电荷会引起瞬态电压扰动，该扰动会传播到存储元件并被锁存，从而导致单事件扰动。

SEFI（单事件功能中断）是由单个粒子撞击引起的受影响设备上的临时故障（或正常运行中断）。

SEGR （Single Event Gate Rupture） 是单个高能粒子导致 MOSFET 的薄栅极氧化物击穿的事件，从而形成通过它的导电路径。这一事件通过栅极泄漏电流的增加来揭示，并可能导致器件性能下降或完全失效。

SEL（Single Event Latch-up）表示器件中的异常高电流状态，是由单个高能粒子通过器件结构的敏感区域导致器件功能丧失而引起的。SEL 可能会对设备造成永久性损坏，如果设备没有永久性损坏，则必须执行电源循环（关闭/打开）以恢复正常运行。SEL 出现在 CMOS 结构中，其中固有的寄生 pnpn 结构（实际上是 SCR）通过吸收单个粒子而开启，并导致在电源和接地之间产生短路。

SEB （Single Event Burnout） 表示单个高能粒子撞击在设备中引起局部高电流状态并导致灾难性故障的事件。

所有类型的 SEE 事件都可能导致系统性能下降，甚至可能达到完全破坏的程度。为了确保高度的可靠性，有必要选择对辐射产生的影响进行了测量、记录和声明的组件。

如上所述，电子设备遭受辐射效应，尤其是由于电子和质子，其产生的主要原因是太阳高能粒子事件，其中地球的磁层最靠近地球，导致更多的捕获辐射。

参考传统的硅技术，来自质子和电子的长期累积电离损伤表现为在恶劣辐射环境下工作的 MOSFET 器件的两种辐射损伤：由氧化物界面处的电荷俘获等现象引起的表面效应和体损伤。由于离子置换。

这些影响会导致器件性能显着恶化，从而导致阈值电压偏移（见图 1）、跨导退化（见图 2）、漏电流（和相关功耗）增加，以及动态特性的改变，降低开关性能等方面的效率。

图 1. 辐照效应引起的阈值电压偏移。图片由 Bodo‘s Power Systems提供

图 2. 辐照效应导致的跨导退化。图片由 Bodo’s Power Systems提供

入射辐射在氧化物中产生空穴-电子对，因此在栅极氧化物中捕获的空穴会引起阈值电压偏移，而在场氧化物中捕获的空穴会导致漏电流增加。就这些现象而言，NMOS 晶体管比 PMOS 晶体管更容易受到攻击。

作为缓解上述问题的一种可能的解决方案，可以采用金属屏蔽来覆盖器件。

这种安排可能会有所帮助，但必须考虑几个相关因素来评估其有效性，例如，使用适当的临时分析技术研究的屏蔽几何形状、屏蔽材料成分和设备成分。即使在高能量的情况下，电子也可以通过铝屏蔽有效地衰减；铝屏蔽也适用于低能质子，但对高于 30 MeV 的高能质子无效。

WBG 在空间和军事系统中的优势

用于战略军事设备、太空任务和卫星应用、航天器、高空飞行和无人机、数据传输和机器人等关键应用的功率设备必须能够抵抗电离辐射引起的故障和故障。

在这些类型的应用中，WBG 器件提供的性能明显高于传统的硅基抗辐射器件。

此功能使创新架构的实施成为可能，因为尺寸减小和重量减轻，以及高效率和良好的可靠性是任何用于上述应用的设备的基本要求。

在所有现有设备中，氮化镓和碳化硅能够以最小的占地面积提供最高水平的效率。就电磁干扰 （EMI） 而言，它们还具有出色的性能，这要归功于寄生电容值的降低，从而减少了开关周期中存储和释放的能量。同时，减小的尺寸改善了环路电感，从而使天线效应相当衰减。

由于没有最近的技术，抗辐射硅 MOSFET 已经达到了极限，因为它们具有较大的芯片尺寸，与新的 WBG 晶体管相比，性能品质因数 （FOM） 非常高，特别是与增强型 GaN 器件相比。

与上图相关，评估设备性能的一个重要参数是 FoM（品质因数）定义为 FoM = R DS（ON） x C iss

图 3. 绩效合作。图片由 Bodo‘s Power Systems提供

它代表了与设备理想状态的偏差——它的值越低，系统效率就越好。

WBG 辐射解决方案

增强型 GaN HEMT 晶体管非常容易驱动，因为与最好的抗辐射 MOSFET 相比，它们所需的栅极电荷最多可减少 40 倍。这是由于有利于 GaN 器件的物理尺寸：它们可以直接安装在陶瓷基板上，避免任何额外的外部封装。

通过这种方式，可以消除任何导线限制，因此相关的退化电感消失，从而允许高开关速率，仅受与栅极和漏极节点相关的电阻和电容的限制。

结果，可以大大提高工作频率，从而实现纳秒级的切换时间。对于这些高速应用，应特别注意布局设计阶段。

WBG 先进解决方案领域的几家重要参与者已经开发出抗辐射、高性能的 GaN FET 器件，适用于 DC-DC 转换器，通常适用于星载系统中的开关电源应用。这些组件已针对破坏性单事件效应 （SEE） 进行了表征，并针对高水平的总电离剂量 （TID） 进行了测试。

这些 100 V 和 200 V GaN FET 的最大漏极电流高达 60 A，其性能比硅 MOSFET 高出 10 个数量级，将封装尺寸减小了大约 50%。

它们还减小了电源的尺寸、重量和成本，由于较低的开关功率损耗而节省了一部分散热器。此外，这些器件是同类产品中最好的，因为它们具有 5mΩ RDS（on） 和 14nC 栅极电荷的最佳 FoM。

例如，VPT 的 SGRB 系列 DC-DC 转换器采用先进的 GaN 技术，经过专门设计，适用于空间应用，通常适用于恶劣的辐射环境。上述系列耐辐射，噪音低，效率非常高，超过 95%，与传统的抗辐射硅产品相比具有优势。

一系列基于高可靠性 GaN 器件的适配器模块可用于多功能电源应用。他们利用具有高速栅极驱动器电路的 eGaN 开关 HEMT。

电子解决方案在当今的航空航天环境和应用中变得越来越普遍，所有开发人员都在努力开发越来越多的系统，例如卫星和航天器设备。高效率和良好的可靠性对于太空任务项目的成功至关重要。

此外，宽带半导体在高温环境中运行的能力具有重要意义，因为这为其在极端高温环境中的应用铺平了道路，同时需要较少的冷却才能正常运行。

通常，电子设备的辐照测试是根据 MIL-STD-883E 和 ESA-SCC 22900 标准进行的。

这些标准定义和规范适用于适用于太空应用的集成电路和分立半导体器件的稳态辐照测试的方法和要求，并描述了适用于军事和航空电子系统的微电子器件测试的测量和程序，包括基本环境测试以确定抵抗自然元素和条件的破坏性影响，通常在军事和太空行动中。

一方面，SiC功率MOSFET表现出对伽马射线和中子辐照的良好耐受性，但同时它们对高能重离子引起的单粒子效应现象（SEE）的耐受性较低。另一方面，用伽马射线测试的 GaN 晶体管在总剂量和位移损伤方面表现出显着的硬度。

更详细地说，在大能量范围［20MeV÷550MeV］的伽马射线、中子和重离子照射下，SiC功率MOSFET在对总电离剂量的敏感性方面表现出良好的性能，而它们的SOA却很差（安全操作区）涉及单事件效应（SEE）；相反，用伽马射线、中子、重离子和低能质子照射 GaN 晶体管，它们对 SEE 表现出非常好的 SOA。

经过辐照测试后，器件的栅极漏电流可增加一个数量级，阈值电压降低高达 1 伏特，跨导值显着下降。

正在进行的活动

根据前面的讨论，宽带隙器件对于下一代空间系统的发展具有重要的战略意义。

虽然已经证明了重要成果，但仍有大量研发工作要做，以使这些新技术成熟并确保它们适用于空间应用。

欧洲航天局 （ESA） 十多年来一直致力于提高晶体材料的质量，以实现具有更高可靠性和性能的设备。

已计划开展进一步的研究工作，以改进材料生长过程，同时优化设备性能，以使 WBG 设备有资格用于空间应用。已经预见到更多的额外任务，例如，开发具有适当解决方案的先进封装。

特别是，位于 Estec（荷兰）的 ESA 推出了一系列与 WBG 材料（如 SiC、GaN 和金刚石）特别相关的活动。他们的具体目的是更好地了解和优化WBG组件的制造工艺，从而实现在空间应用中的高可靠性运行。

在此框架下开发了安装在名为“PROBA-V”的卫星上的基于 GaN 的 X 波段遥测发射器的全球首批演示之一，以刺激创建专用于 WBG 组件的欧洲供应链技术。

进一步的活动旨在展示这些新技术在高工作频率、高工作电压和更高工作温度方面的卓越性能，例如用于光子应用的先进传感器。　　

      审核编辑：彭静