【氮化镓】在轨实验研究辐射对GaN器件的影响

【Pioneering evaluation of GaN transistors in geostationary satellites】

摘要：

这篇论文介绍了一项为期6年的空间实验结果，该实验研究了在地球静止轨道上辐射对氮化镓（GaN）电子元件的影响。实验使用了四个GaN晶体管，以Colpitts振荡器配置搭载在Alphasat通信卫星的组件技术测试床上。通过监测振荡器的功率输出随任务期间累积的总电离剂量的变化，进行了启发式分析。实验结果表明，GaN是一种强大的技术，可以用于地球静止轨道上的空间辐射环境中。该研究首先简要介绍了主题、动机和主要目标，接着描述了实验设置，包括振荡器设计的详细信息和模拟，以及测试床和组件技术测试床的实施。最后，讨论了在空间中6年经验期间获得的结果。 2012年，由EFACEC、Instituto de Telecomunicações、EVOLEO Technologies、Laboratório de Instrumentação e Física Experimental de Partículas (LIP)和Ferdinand-Braun-Institut (FBH)组成的财团开始了一个由欧洲航天局资助的项目，旨在开发多个基于氮化镓（GaN）的射频晶体管，用于空间和军事应用。目标是验证和探索在地球静止卫星中使用欧洲生产的GaN技术的可能性。如果GaN能在空间条件下成功运行，欧洲卫星制造商将受益于拥有创新且高效的射频功率晶体管和在更高频率下工作的单片微波集成电路（MMICs）。从长远来看，它们甚至可能取代卫星上的当前行波管放大器（TWTA）和其他技术。实验从2013年到2019年在轨道上持续飞行，并且是欧洲地球静止卫星上首次进行GaN实验。尽管它们的内在功耗较高，但由于不需要加热电阻器，它们仍然能够节省能量。实验证明了GaN设备在实际运行的空间辐射环境中的空间操作稳健性。

研究简介：

实验背景与动机：介绍了氮化镓（GaN）电子元件在地球静止轨道上受到辐射影响的研究背景。这项研究的动机是为了探索GaN技术在地球静止轨道这种空间辐射环境中的可行性和稳健性。
项目启动：2012年，由多个机构组成的财团开始了一项由欧洲航天局资助的项目。该项目旨在开发适用于空间和军事应用的新型射频晶体管，特别是基于GaN的技术。
GaN技术的优势：强调了GaN技术在高频下工作时的创新性和高效性，以及它在未来可能替代现有的行波管放大器（TWTA）和其他卫星技术的可能性。
实验目的：明确了实验的主要目标，即验证在地球静止轨道上使用欧洲生产的GaN技术，并探索其在空间条件下的性能。
实验设计：描述了实验的设计，包括振荡器的配置和模拟，以及测试床和组件技术测试床的实施细节。
实验成果：概述了实验在6年的空间飞行中取得的成果，包括GaN设备在地球静止轨道上的空间辐射环境中表现出的稳健性。
辐射对设备的影响：简要讨论了空间辐射对所有系统可能造成的性能退化或永久性中断的风险，并特别指出了地球静止轨道对三种主要辐射成分（银河宇宙射线、太阳粒子事件和捕获粒子）的高度暴露性。
实验意义：强调了这项实验对于证明GaN技术在空间应用中的可靠性和作为未来卫星和空间任务中TWTA替代品的可行性的重要性。

实验样品选择：

技术优势：GaN高电子迁移率晶体管（HEMT）因其高能隙（3.4 eV）和高击穿场（4 MV/cm）而成为高功率应用的理想选择。这些物理特性使得GaN设备在微波和毫米波频段具有优异的性能。
设计和制造：所选的GaN晶体管是在柏林的Ferdinand Braun Institute（FBH）设计、生长和加工的，作为欧洲航天局（ESA）资助的GaN基准项目的一部分。这些晶体管具有两个指状结构，每个指宽50微米，总栅宽100微米，栅长0.5微米。
材料和结构：晶体管在半绝缘的碳化硅（SiC）衬底上实现，配备了优化的GaN和AlGaN外延层，适用于L频段到X频段的应用。晶体管采用铂金基肖特基T型栅极金属化结构，没有场板，并采用SiNx涂层进行完全钝化。
封装和安装：为了适应空间应用的要求，GaN晶体管的外围设计考虑了坚固和可靠的安装方式，如芯片焊接和金线楔键合。图1展示了安装在振荡器PCB上的独立GaN晶体管。
性能参数：晶体管的性能通过晶圆S参数探测得到，其截止频率为36 GHz，最大功率放大频率为78 GHz，工作偏置电压为28 V。在2 GHz的操作频率下，晶体管能够达到每毫米6瓦的功率密度。

控制板介绍：

控制板的功能：控制板的主要作用是容纳振荡器和传感器，并将这些传感器的数据通过通信协议传输到卫星的内部通信总线，最终传送到地面站。这样的设计使得控制板成为实验中数据收集和传输的关键组件。
控制板的设计：控制板包含了多种传感器，包括电流传感器、射频功率传感器以及用于测量温度和辐射水平的传感器。此外，控制板还能够单独关闭各个振荡器，为实验提供了灵活性和控制能力。
信号隔离和数据整合：为了确保数据传输的准确性和可靠性，所有信号都通过缓冲器进行了适当的隔离处理。每个振荡器的数据在与组件技术测试床（CTTB）部分通信之前，会被整合成一个信息包。
实验的三个阶段：实验的实施分为三个阶段。第一阶段是制作一个功能性原型；第二阶段是完成控制板的制作，包括最终的振荡器；第三阶段是组装所有设备。
电路选择决策：在选择用于验证GaN FET设备在空间应用中的电路类型时，考虑了多种电路，如放大器、混频器或振荡器。最终选择了振荡器电路，因为它不需要额外的信号激励源，允许将所有电路和测量系统集成在一个盒子内，从而减少了功耗和质量。
振荡器设计和实现：采用的射频振荡器拓扑结构遵循Colpitts配置，其中反馈回路由电容/电阻网络构成。为了适应空间环境，设计中避免了可调组件，如可变电容器，而是使用了具有精确操作频率的同轴谐振器来确定振荡频率。
控制板的物理实现：控制板的物理实现考虑了空间环境的特殊要求，如避免移动部件、确保信号隔离、以及优化热管理和地面连接。控制板的材料选择和设计细节都是为了满足这些要求。

实验结果与结论：

实验目的和监测：实验旨在监测地球静止轨道中高能带电粒子的总电离剂量（TID）和空间温度循环对GaN振荡器功率输出的影响。实验期间收集的数据包括温度、辐射剂量、振荡器的功率输出、输入电压、温度和辐射水平等。
温度和辐射剂量变化：结果显示，卫星在2015年4月至10月期间开始全面运行，导致整体温度上升。同时，辐射剂量随时间增加，这是预期之内的。
振荡器输出功率与辐射剂量和温度的关系：分析表明，当系统温度降低时，振荡器的输出功率略有增加，这是预期的行为。另一方面，随着辐射剂量的增加，输出功率略有下降，尽管变化不大，这表明器件的老化过程和辐射对器件行为产生了轻微的影响。
各振荡器的性能变化：所有四个振荡器都显示出类似的模式，其中一个振荡器（振荡器4）在运行的第一年出现了约12%的功率下降，而其他三个振荡器的功率变化约为10%。这种变化可能与制造过程中的压缩偏置点有关。
器件的可靠性：尽管存在轻微的功率变化，所有振荡器在整个实验期间都保持在规格范围内运行。这些结果支持了GaN技术在未来空间任务中的可靠性，至少在地球静止轨道上是如此。地球静止轨道是一个电子丰富的轨道，具有相对合理的总电离剂量（TID）和低位移损伤剂量，这对于对前者敏感度较低的技术来说是理想的。
辐射环境的影响：尽管GaN技术被认为对位移损伤更敏感，但在实验期间测量的TID并不很高（约3.3 krad），因此没有观察到组件明显的损伤。
结论：实验结果表明，GaN技术在地球静止轨道上的空间辐射环境中表现出了良好的可靠性。尽管存在一些功率输出的变化，但所有振荡器都能够在整个实验期间保持活跃，显示出GaN技术适用于未来空间应用的潜力。

图1 - GaN晶体管安装在振荡器PCB上的照片：图片展示了一个独立的GaN晶体管被安装在振荡器的印刷电路板（PCB）上。

图2 - 控制板和CTTB的图片：展示了控制板和组件技术测试床（CTTB）的外观。

图3 - 测试板

图4 - 振荡器电路图

图5 - 振荡器原型

图6 - 振荡器外壳温度和剂量随时间的变化。

图7 - 温度和剂量随时间的变化。

图8 - 温度在22至25°C之间时，所有振荡器的输入电压作为时间和剂量的函数。

图9 -温度在22和25℃之间，所有振荡器的功率输出作为时间和剂量的函数，振荡器4显示功率输出显着下降。(在这种情况下，晶体管没有经历热/电复合老化过程，因此可以预期图的第一部分对应于老化效应)。

研究意义：

该论文的研究意义主要体现在以下几个方面：

技术创新：研究展示了GaN晶体管在地球静止轨道这种极端空间环境下的应用潜力，这对于推动射频和微波器件的技术进步具有重要意义。
空间应用的可靠性：通过长期的在轨实验，论文提供了GaN技术在面对空间辐射和温度变化时的可靠性证据，这对于未来卫星和空间任务的设计和制造具有指导意义。
性能评估：实验结果为GaN晶体管在高辐射环境下的性能变化提供了定量数据，有助于理解和预测这类器件在类似条件下的行为。
未来卫星设计的参考：研究结果支持GaN技术在未来空间任务中的使用，尤其是在地球静止轨道上，这可能会影响到卫星通信系统的设计和组件选择。
辐射硬化技术的改进：通过分析GaN晶体管在空间辐射中的性能变化，可以为改进和优化辐射硬化技术提供依据，从而提高空间电子设备的抗辐射能力。
经济效益：如果GaN技术能够替代现有的TWTA等技术，可能会带来更高的效率和性能，同时降低成本和重量，这对于商业卫星制造商和运营商来说具有潜在的经济效益。
科学探索的贡献：这项研究为空间科学提供了新的工具和方法，有助于更深入地探索和理解空间环境对电子设备的影响。