电子产品世界

航天器必须搭载抗辐射（rad-hard）电子设备，因为辐射极易导致电子器件故障。因此，电源管理器件对于为卫星和航天器上的所有电子设备供电至关重要，尤其是当航天器内有宇航员时。

例如，深空任务可能会遭遇背景辐射产生的中子、放射性同位素热电机（RTGs）以及其他有害核辐射源（图 1）；而近地及大气层环境中的设备则会受到银河宇宙射线（GCRs）及其二次辐射的影响。

1. 太空环境会引发一系列严酷的影响。

此外，太空中的长期辐射效应还会影响宇航员和航天器电子设备。总电离剂量（TID）水平将在组件芯片层级接收，计算有源部件时考虑航天器的防御屏蔽。质子和电子通常会导致空间中长期损伤的积累。

称为位移损伤（DD），它会导致广泛的非电离损伤（通常不适用于CMOS微电子设备）。瞬态效应可能受到单带电粒子效应（单事件效应或SEEs）以及硬误差（破坏性）或软误差的影响。

为何 “设计级抗辐射（RHBD）” 至关重要

设计人员可通过"设计级抗辐射（RHBD）"方法应对这类辐射损伤，该方法有助于平衡性能、成本与器件供应需求。因此，太空和国防领域对高性能半导体在实时成像等应用中的需求十分迫切，但相关器件的供应却极为有限，这给 RHBD 行业带来了挑战。

再加上高辐射耐受性高于1毫格雷（MGy）的电子设备，吸收辐射单位相当于千分之一格雷（或核聚变和小型模块化反应堆（SMR）的0.1辐射，但由于性能和供应有限，受到限制。

目前有两种解决方案可以在恶劣（充满辐射）的环境中利用电子元件：

• 商业现成（COTS）组件的上级筛选。

• 使用太空级辐射硬化电子设备。

RHBD是需要极高剂量耐受集成电路、满足航天和军工行业严格可靠性和电子性能标准的应用的开门器。

抗辐射氮化镓（GaN）宽带隙功率半导体

有些人认为宽带隙（WBG）半导体天生对辐射具有抗性。然而，WBG半导体的“固有”辐射硬度通常指其对总剂量的容忍度。WBG半导体的总剂量（图2）指的是其对辐射的耐受性，特别是其承受电离辐射而不显著降解的能力。

2. WBG技术概述，突出与带隙能源相关特性。

辐射硬度保证（RHA）定义为确保空间系统中的电子设备和材料在暴露于自然空间辐射环境后能够满足设计规格而采取的活动。

航天器以及一些关键的航空电子动力系统包括月球和行星表面动力、火星运输和月球门户、小型裂变反应堆、小型卫星和电动飞机。科学有效载荷和仪器，如激光雷达（LiDAR）和质谱仪（见图3）也包括在内。

3. 展示WBG RHA的航空航天驱动器。

GaN WBG技术：尺寸、重量与功率（SWaP）

GaN采用了电压低于650伏的快速切换超结技术。GaN高电子迁移率晶体管（HEMT）结构（见图4）实现了电子流动的二维路径。电荷极化和晶格应变发生在AlGaN势垒与GaN层之间。

4. GaN HEMT 具有高迁移率，无需掺杂即可实现。

白磁质（WBG）半导体表现出对总剂量的“固有”辐射硬容忍性。其阈值能量以及缺陷形成所需的电离能（即原子键强度）高于硅器件。WBG设备能够在高温下工作，这可能有助于减轻辐射剂量的影响。早期的WBG器件没有栅极氧化物。

GaN HEMT 的高迁移率无需掺杂即可实现

设计者必须警惕单事件效应（SEEs）。WBG器件在SiC和GaN功率器件中都易受重离子诱导的灾难性单事件烧毁影响。电荷电离的能量更高无法对SEE产生免疫力。GaN HEMT SEE表现出单事件烧毁（SEB）、漏电流衰减和单事件介电破裂（SEDR）。

下表展示了依赖SEE灵敏度的分析要求示例。在安静且太阳事件条件下，可以计算出强烈的离子和质子诱导的SEE速率。

5. AlGaN/GaN HEMT 在 ESD 条件下的不同失效模式。

GaN HEMT 位移损伤剂量效应

GaN HEMT中的位移损伤剂量（DDD）参数降解将发生在高于典型空间应用的DDD水平。

GaN HEMT中的DDD效应：

• 阈值电压偏移（通常是正电压）

• 减少漏斗电流

• 移动性和跨导性降低

DDD易感性在以下情况下变得更大：

• 在照射过程中，组件部件存在偏置

• 零件曾经历过热载流应力

GaN HEMT 总电离剂量

氮化镓场效应晶体（GaN FET）在电力应用中为外太空的寒冷空间打开了新技术趋势的大门。对于易于使用的脉宽调制（PWM）控制器，配备高可靠性集成电路（IC），能够直接驱动氮化镓功率场效应晶体管（FET），需求量很大。

在以往的研究中，COTS GaN功率晶体管通过10 keV X射线暴露于TID效应。此类氮化镓HEMT在州内外偏置条件下进行了测试。这些氮化镓开关测试在照射前、照射中和照射后进行，器件在−50至+75°C的温度范围内进行了表征。 结果表明，GaN技术的带隙为3.4 eV，是恶劣环境中的有力应用候选。

HEMT器件具有异质结，电子被限制在量子阱中，从而避免杂质散射。这些器件也被称为二维电子气体场效应晶体管（TEGFET）。

总结

氮化镓器件的辐射硬度明显高于硅和砷化镓器件，主要得益于III-氮化物材料中的高键强度。氮化镓对辐射损伤的响应取决于辐射剂量、类型和能量，以及载流子和位错密度，以及杂质含量密度。

设计上，Rad-hard使得需要极高剂量容忍度的集成电路应用成为可能，同时也满足航天和军工行业中对电子和可靠性性能的要求。

关键词： 航天器 抗辐射 氮化镓 半导体