長(zhǎng)期以來(lái)，硅基器件一直是半導(dǎo)體領(lǐng)域的基準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)。從 2007 年開(kāi)始，由于摩爾定律的失敗，復(fù)合材料被開(kāi)發(fā)出來(lái)，特別關(guān)注寬帶隙半導(dǎo)體，因?yàn)樗鼈兝昧酥匾奶匦?，與傳統(tǒng)的硅對(duì)應(yīng)物（如電力電子）相比，它們可以實(shí)現(xiàn)具有卓越性能的器件。

已經(jīng)開(kāi)發(fā)的最成熟的寬帶隙 （WBG） 半導(dǎo)體材料是氮化鎵和碳化硅。與 IGBT 和 Power 等硅功率器件相比，基于此類材料的器件（例如 GaN HEMT 和 SiC MOSFET）正在成為管理快速開(kāi)關(guān)設(shè)備中高功率水平的首選解決方案，并在許多關(guān)鍵應(yīng)用中表現(xiàn)出更好的性能MOSFET。

由于新的 WBG 半導(dǎo)體器件能夠管理比傳統(tǒng)器件更高的功率密度，因此可以在相同性能水平的情況下顯著減小尺寸，簡(jiǎn)化熱管理，節(jié)省散熱器和相關(guān)成本：提高擊穿電壓、高電子遷移率、和飽和速度使它們成為高功率和高溫應(yīng)用的正確選擇。

此外，更高的臨界電場(chǎng)值使這些化合物對(duì)于實(shí)現(xiàn)具有出色的特定 Rds-on 值（即導(dǎo)通狀態(tài)等效電阻）的電源開(kāi)關(guān)非常有吸引力?；谶@些新的關(guān)鍵因素，可以顯著降低導(dǎo)通狀態(tài)下的功率損耗。同時(shí)，由于輸入電容低于硅功率晶體管，這類新器件還能夠降低開(kāi)關(guān)功率損耗。

WBG 設(shè)備的優(yōu)勢(shì)

WBG器件在效率和功率密度方面的優(yōu)勢(shì)是無(wú)可爭(zhēng)議的。

對(duì)這兩個(gè)關(guān)鍵特征的改進(jìn)推動(dòng)了當(dāng)今多個(gè)全球工業(yè)領(lǐng)域的創(chuàng)新，例如數(shù)據(jù)中心、可再生能源、消費(fèi)電子產(chǎn)品以及電動(dòng)汽車和自動(dòng)駕駛汽車。GaN ad SiC 組件可以提供比傳統(tǒng)競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手更高的功率密度和更高的效率，這些改進(jìn)為消費(fèi)者和公司帶來(lái)了廣泛的好處，無(wú)論是更小的外形尺寸還是消費(fèi)者適配器中更快的充電速率，還是冷卻成本數(shù)據(jù)中心的節(jié)能和電力浪費(fèi)。

即使在射頻和微波應(yīng)用中，使用可用的硅射頻功率器件也無(wú)法輕松滿足對(duì)越來(lái)越高工作頻率的要求。

由于擊穿電壓低，不可能設(shè)計(jì)和制造能夠提供數(shù)百或數(shù)千瓦的射頻輸出功率的硅晶體管，這個(gè)問(wèn)題嚴(yán)重限制了固態(tài)器件在高電壓中的使用。功率射頻和微波應(yīng)用。最近在諸如 SiC 和 GaN 等寬帶隙半導(dǎo)體材料的生長(zhǎng)方面取得了進(jìn)步，使得能夠生產(chǎn)出具有令人印象深刻的射頻性能的器件，從而為開(kāi)發(fā)基于微波固態(tài)晶體管的新設(shè)計(jì)提供了機(jī)會(huì)，這些晶體管展示了以前只能通過(guò)使用微波才能實(shí)現(xiàn)的性能真空管。

與標(biāo)準(zhǔn)硅技術(shù)相比，基于氮化鎵和碳化硅的器件的另一個(gè)非常有趣的優(yōu)勢(shì)是這兩種復(fù)合材料顯示出的高水平輻射硬度，這為軍事和太空市場(chǎng)的廣泛應(yīng)用打開(kāi)了大門。與硅對(duì)應(yīng)的器件相比，GaN 和 SiC 器件對(duì)惡劣輻射環(huán)境中的電離事件造成的損壞和故障的耐受性要好得多。

功率器件：輻射的影響

通常，在多種應(yīng)用中必須滿足對(duì)抗輻射電子系統(tǒng)的嚴(yán)格要求，以保證電子設(shè)備和電路能夠承受環(huán)境中典型的高水平電離輻射和/或高能電磁輻射造成的損壞比如太空和高空飛行、粒子加速器和核反應(yīng)堆，包括核事故。

不幸的是，某些類型的半導(dǎo)體容易受到輻射損傷，并且可以通過(guò)適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)和制造變化來(lái)實(shí)現(xiàn)抗輻射組件，這有助于降低它們對(duì)輻射引起的損傷的敏感性。

例如，具有封閉柵極布局的分布式 MOSFET 結(jié)構(gòu)，配備環(huán)形保護(hù)環(huán)；對(duì)電離輻射的影響表現(xiàn)出增強(qiáng)的抵抗力。解決方案的其他示例由環(huán)形源或雙漏技術(shù)表示。

尤其是空間環(huán)境，可能會(huì)出現(xiàn)能夠影響并在許多情況下降低設(shè)備和材料特性的條件，從而影響重要系統(tǒng)的正確運(yùn)行。

空間合格設(shè)備的主要要求是長(zhǎng)期運(yùn)行的高可靠性。事實(shí)上，輻射效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致設(shè)備性能中斷、退化，以及一般情況下的不連續(xù)性。

例如，用于空間應(yīng)用的電子設(shè)備會(huì)因被困在地球磁場(chǎng)中的質(zhì)子和電子而受到損壞；空間輻射通量主要由 85% 的質(zhì)子和 15% 的重核組成；這些效應(yīng)稱為單事件效應(yīng) （SEE）?？臻g輻射的另一個(gè)重要影響是總電離劑量 （TID）。

這兩個(gè)概念之間的區(qū)別非常簡(jiǎn)單：SEE 是單個(gè)高能粒子撞擊電子設(shè)備所產(chǎn)生的結(jié)果，而 TID 與長(zhǎng)時(shí)間暴露于電離輻射所產(chǎn)生的影響有關(guān)。

在電子設(shè)備的情況下，TID 通常以“rad”（輻射吸收劑量）為單位，這是用于測(cè)量材料、物體或人吸收的輻射總量的單位之一；它反映了暴露于放射源的材料中沉積的能量總量。

吸收的輻射劑量，以拉德表示，是沉積在任何物質(zhì)（如水、空氣或組織）中的能量（來(lái)自任何類型的電離輻射）；1 拉德的劑量對(duì)應(yīng)于 100 克材料中沉積的 100 爾格的總能量。在國(guó)際體系中，總輻射劑量的計(jì)量單位是格雷（Gy）：1Gy相當(dāng)于100rad。

考慮到特定設(shè)備，其劑量輻射閾值代表導(dǎo)致設(shè)備故障的最低 TID 水平：大多數(shù)宣稱“抗輻射”的商業(yè)設(shè)備在功能故障發(fā)生之前能夠承受高達(dá) 5krad 的強(qiáng)度。

輻射硬化產(chǎn)品通常會(huì)針對(duì)一種或多種并發(fā)效應(yīng)進(jìn)行測(cè)試，例如 TID ELDRS（增強(qiáng)的低劑量率效應(yīng)）、中子和質(zhì)子造成的位移損傷。

關(guān)于單事件效應(yīng)，它們?cè)诤教炱骱托l(wèi)星等環(huán)境中發(fā)揮著非常重要的作用，因?yàn)檫@些系統(tǒng)工作的環(huán)境中存在高通量的質(zhì)子和離子。

電子電路中一系列不同類型的 SEE 可以識(shí)別如下。

SEU （Single Event Upset） 代表一種狀態(tài)變化，通常在數(shù)字電路中，由于單個(gè)電離粒子（離子、電子、光子等）撞擊電子設(shè)備中的敏感點(diǎn)。

SET（單事件瞬態(tài)）發(fā)生在高能亞原子粒子撞擊組合邏輯元素時(shí)。粒子沉積的電荷會(huì)引起瞬態(tài)電壓擾動(dòng)，該擾動(dòng)會(huì)傳播到存儲(chǔ)元件并被鎖存，從而導(dǎo)致單事件擾動(dòng)。

SEFI（單事件功能中斷）是由單個(gè)粒子撞擊引起的受影響設(shè)備上的臨時(shí)故障（或正常運(yùn)行中斷）。

SEGR （Single Event Gate Rupture） 是單個(gè)高能粒子導(dǎo)致 MOSFET 的薄柵極氧化物擊穿的事件，從而形成通過(guò)它的導(dǎo)電路徑。這一事件通過(guò)柵極泄漏電流的增加來(lái)揭示，并可能導(dǎo)致器件性能下降或完全失效。

SEL（Single Event Latch-up）表示器件中的異常高電流狀態(tài)，是由單個(gè)高能粒子通過(guò)器件結(jié)構(gòu)的敏感區(qū)域?qū)е缕骷δ軉适Ф鸬?。SEL 可能會(huì)對(duì)設(shè)備造成永久性損壞，如果設(shè)備沒(méi)有永久性損壞，則必須執(zhí)行電源循環(huán)（關(guān)閉/打開(kāi)）以恢復(fù)正常運(yùn)行。SEL 出現(xiàn)在 CMOS 結(jié)構(gòu)中，其中固有的寄生 pnpn 結(jié)構(gòu)（實(shí)際上是 SCR）通過(guò)吸收單個(gè)粒子而開(kāi)啟，并導(dǎo)致在電源和接地之間產(chǎn)生短路。

SEB （Single Event Burnout） 表示單個(gè)高能粒子撞擊在設(shè)備中引起局部高電流狀態(tài)并導(dǎo)致災(zāi)難性故障的事件。

所有類型的 SEE 事件都可能導(dǎo)致系統(tǒng)性能下降，甚至可能達(dá)到完全破壞的程度。為了確保高度的可靠性，有必要選擇對(duì)輻射產(chǎn)生的影響進(jìn)行了測(cè)量、記錄和聲明的組件。

如上所述，電子設(shè)備遭受輻射效應(yīng)，尤其是由于電子和質(zhì)子，其產(chǎn)生的主要原因是太陽(yáng)高能粒子事件，其中地球的磁層最靠近地球，導(dǎo)致更多的捕獲輻射。

參考傳統(tǒng)的硅技術(shù)，來(lái)自質(zhì)子和電子的長(zhǎng)期累積電離損傷表現(xiàn)為在惡劣輻射環(huán)境下工作的 MOSFET 器件的兩種輻射損傷：由氧化物界面處的電荷俘獲等現(xiàn)象引起的表面效應(yīng)和體損傷。由于離子置換。

這些影響會(huì)導(dǎo)致器件性能顯著惡化，從而導(dǎo)致閾值電壓偏移（見(jiàn)圖 1）、跨導(dǎo)退化（見(jiàn)圖 2）、漏電流（和相關(guān)功耗）增加，以及動(dòng)態(tài)特性的改變，降低開(kāi)關(guān)性能等方面的效率。

圖 1. 輻照效應(yīng)引起的閾值電壓偏移。圖片由 Bodo‘s Power Systems提供

圖 2. 輻照效應(yīng)導(dǎo)致的跨導(dǎo)退化。圖片由 Bodo’s Power Systems提供

入射輻射在氧化物中產(chǎn)生空穴-電子對(duì)，因此在柵極氧化物中捕獲的空穴會(huì)引起閾值電壓偏移，而在場(chǎng)氧化物中捕獲的空穴會(huì)導(dǎo)致漏電流增加。就這些現(xiàn)象而言，NMOS 晶體管比 PMOS 晶體管更容易受到攻擊。

作為緩解上述問(wèn)題的一種可能的解決方案，可以采用金屬屏蔽來(lái)覆蓋器件。

這種安排可能會(huì)有所幫助，但必須考慮幾個(gè)相關(guān)因素來(lái)評(píng)估其有效性，例如，使用適當(dāng)?shù)呐R時(shí)分析技術(shù)研究的屏蔽幾何形狀、屏蔽材料成分和設(shè)備成分。即使在高能量的情況下，電子也可以通過(guò)鋁屏蔽有效地衰減；鋁屏蔽也適用于低能質(zhì)子，但對(duì)高于 30 MeV 的高能質(zhì)子無(wú)效。

WBG 在空間和軍事系統(tǒng)中的優(yōu)勢(shì)

用于戰(zhàn)略軍事設(shè)備、太空任務(wù)和衛(wèi)星應(yīng)用、航天器、高空飛行和無(wú)人機(jī)、數(shù)據(jù)傳輸和機(jī)器人等關(guān)鍵應(yīng)用的功率設(shè)備必須能夠抵抗電離輻射引起的故障和故障。

在這些類型的應(yīng)用中，WBG 器件提供的性能明顯高于傳統(tǒng)的硅基抗輻射器件。

此功能使創(chuàng)新架構(gòu)的實(shí)施成為可能，因?yàn)槌叽鐪p小和重量減輕，以及高效率和良好的可靠性是任何用于上述應(yīng)用的設(shè)備的基本要求。

在所有現(xiàn)有設(shè)備中，氮化鎵和碳化硅能夠以最小的占地面積提供最高水平的效率。就電磁干擾 （EMI） 而言，它們還具有出色的性能，這要?dú)w功于寄生電容值的降低，從而減少了開(kāi)關(guān)周期中存儲(chǔ)和釋放的能量。同時(shí)，減小的尺寸改善了環(huán)路電感，從而使天線效應(yīng)相當(dāng)衰減。

由于沒(méi)有最近的技術(shù)，抗輻射硅 MOSFET 已經(jīng)達(dá)到了極限，因?yàn)樗鼈兙哂休^大的芯片尺寸，與新的 WBG 晶體管相比，性能品質(zhì)因數(shù) （FOM） 非常高，特別是與增強(qiáng)型 GaN 器件相比。

與上圖相關(guān)，評(píng)估設(shè)備性能的一個(gè)重要參數(shù)是 FoM（品質(zhì)因數(shù)）定義為 FoM = R DS（ON） x C iss

圖 3. 績(jī)效合作。圖片由 Bodo‘s Power Systems提供

它代表了與設(shè)備理想狀態(tài)的偏差——它的值越低，系統(tǒng)效率就越好。

WBG 輻射解決方案

增強(qiáng)型 GaN HEMT 晶體管非常容易驅(qū)動(dòng)，因?yàn)榕c最好的抗輻射 MOSFET 相比，它們所需的柵極電荷最多可減少 40 倍。這是由于有利于 GaN 器件的物理尺寸：它們可以直接安裝在陶瓷基板上，避免任何額外的外部封裝。

通過(guò)這種方式，可以消除任何導(dǎo)線限制，因此相關(guān)的退化電感消失，從而允許高開(kāi)關(guān)速率，僅受與柵極和漏極節(jié)點(diǎn)相關(guān)的電阻和電容的限制。

結(jié)果，可以大大提高工作頻率，從而實(shí)現(xiàn)納秒級(jí)的切換時(shí)間。對(duì)于這些高速應(yīng)用，應(yīng)特別注意布局設(shè)計(jì)階段。

WBG 先進(jìn)解決方案領(lǐng)域的幾家重要參與者已經(jīng)開(kāi)發(fā)出抗輻射、高性能的 GaN FET 器件，適用于 DC-DC 轉(zhuǎn)換器，通常適用于星載系統(tǒng)中的開(kāi)關(guān)電源應(yīng)用。這些組件已針對(duì)破壞性單事件效應(yīng) （SEE） 進(jìn)行了表征，并針對(duì)高水平的總電離劑量 （TID） 進(jìn)行了測(cè)試。

這些 100 V 和 200 V GaN FET 的最大漏極電流高達(dá) 60 A，其性能比硅 MOSFET 高出 10 個(gè)數(shù)量級(jí)，將封裝尺寸減小了大約 50%。

它們還減小了電源的尺寸、重量和成本，由于較低的開(kāi)關(guān)功率損耗而節(jié)省了一部分散熱器。此外，這些器件是同類產(chǎn)品中最好的，因?yàn)樗鼈兙哂?5mΩ RDS（on） 和 14nC 柵極電荷的最佳 FoM。

例如，VPT 的 SGRB 系列 DC-DC 轉(zhuǎn)換器采用先進(jìn)的 GaN 技術(shù)，經(jīng)過(guò)專門設(shè)計(jì)，適用于空間應(yīng)用，通常適用于惡劣的輻射環(huán)境。上述系列耐輻射，噪音低，效率非常高，超過(guò) 95%，與傳統(tǒng)的抗輻射硅產(chǎn)品相比具有優(yōu)勢(shì)。

一系列基于高可靠性 GaN 器件的適配器模塊可用于多功能電源應(yīng)用。他們利用具有高速柵極驅(qū)動(dòng)器電路的 eGaN 開(kāi)關(guān) HEMT。

電子解決方案在當(dāng)今的航空航天環(huán)境和應(yīng)用中變得越來(lái)越普遍，所有開(kāi)發(fā)人員都在努力開(kāi)發(fā)越來(lái)越多的系統(tǒng)，例如衛(wèi)星和航天器設(shè)備。高效率和良好的可靠性對(duì)于太空任務(wù)項(xiàng)目的成功至關(guān)重要。

此外，寬帶半導(dǎo)體在高溫環(huán)境中運(yùn)行的能力具有重要意義，因?yàn)檫@為其在極端高溫環(huán)境中的應(yīng)用鋪平了道路，同時(shí)需要較少的冷卻才能正常運(yùn)行。

通常，電子設(shè)備的輻照測(cè)試是根據(jù) MIL-STD-883E 和 ESA-SCC 22900 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行的。

這些標(biāo)準(zhǔn)定義和規(guī)范適用于適用于太空應(yīng)用的集成電路和分立半導(dǎo)體器件的穩(wěn)態(tài)輻照測(cè)試的方法和要求，并描述了適用于軍事和航空電子系統(tǒng)的微電子器件測(cè)試的測(cè)量和程序，包括基本環(huán)境測(cè)試以確定抵抗自然元素和條件的破壞性影響，通常在軍事和太空行動(dòng)中。

一方面，SiC功率MOSFET表現(xiàn)出對(duì)伽馬射線和中子輻照的良好耐受性，但同時(shí)它們對(duì)高能重離子引起的單粒子效應(yīng)現(xiàn)象（SEE）的耐受性較低。另一方面，用伽馬射線測(cè)試的 GaN 晶體管在總劑量和位移損傷方面表現(xiàn)出顯著的硬度。

更詳細(xì)地說(shuō)，在大能量范圍［20MeV÷550MeV］的伽馬射線、中子和重離子照射下，SiC功率MOSFET在對(duì)總電離劑量的敏感性方面表現(xiàn)出良好的性能，而它們的SOA卻很差（安全操作區(qū)）涉及單事件效應(yīng)（SEE）；相反，用伽馬射線、中子、重離子和低能質(zhì)子照射 GaN 晶體管，它們對(duì) SEE 表現(xiàn)出非常好的 SOA。

經(jīng)過(guò)輻照測(cè)試后，器件的柵極漏電流可增加一個(gè)數(shù)量級(jí)，閾值電壓降低高達(dá) 1 伏特，跨導(dǎo)值顯著下降。

正在進(jìn)行的活動(dòng)

根據(jù)前面的討論，寬帶隙器件對(duì)于下一代空間系統(tǒng)的發(fā)展具有重要的戰(zhàn)略意義。

雖然已經(jīng)證明了重要成果，但仍有大量研發(fā)工作要做，以使這些新技術(shù)成熟并確保它們適用于空間應(yīng)用。

歐洲航天局 （ESA） 十多年來(lái)一直致力于提高晶體材料的質(zhì)量，以實(shí)現(xiàn)具有更高可靠性和性能的設(shè)備。

已計(jì)劃開(kāi)展進(jìn)一步的研究工作，以改進(jìn)材料生長(zhǎng)過(guò)程，同時(shí)優(yōu)化設(shè)備性能，以使 WBG 設(shè)備有資格用于空間應(yīng)用。已經(jīng)預(yù)見(jiàn)到更多的額外任務(wù)，例如，開(kāi)發(fā)具有適當(dāng)解決方案的先進(jìn)封裝。

特別是，位于 Estec（荷蘭）的 ESA 推出了一系列與 WBG 材料（如 SiC、GaN 和金剛石）特別相關(guān)的活動(dòng)。他們的具體目的是更好地了解和優(yōu)化WBG組件的制造工藝，從而實(shí)現(xiàn)在空間應(yīng)用中的高可靠性運(yùn)行。

在此框架下開(kāi)發(fā)了安裝在名為“PROBA-V”的衛(wèi)星上的基于 GaN 的 X 波段遙測(cè)發(fā)射器的全球首批演示之一，以刺激創(chuàng)建專用于 WBG 組件的歐洲供應(yīng)鏈技術(shù)。

進(jìn)一步的活動(dòng)旨在展示這些新技術(shù)在高工作頻率、高工作電壓和更高工作溫度方面的卓越性能，例如用于光子應(yīng)用的先進(jìn)傳感器?！　?/p>