航天器必須搭載抗輻射（rad-hard）電子設備，因為輻射極易導致電子器件故障。因此，電源管理器件對于為衛星和航天器上的所有電子設備供電至關重要，尤其是當航天器內有宇航員時。

例如，深空任務可能會遭遇背景輻射產生的中子、放射性同位素熱電機（RTGs）以及其他有害核輻射源（圖 1）；而近地及大氣層環境中的設備則會受到銀河宇宙射線（GCRs）及其二次輻射的影響。

1. 太空環境會引發一系列嚴酷的影響。

此外，太空中的長期輻射效應還會影響宇航員和航天器電子設備。總電離劑量（TID）水平將在組件芯片層級接收，計算有源部件時考慮航天器的防御屏蔽。質子和電子通常會導致空間中長期損傷的積累。

稱為位移損傷（DD），它會導致廣泛的非電離損傷（通常不適用于CMOS微電子設備）。瞬態效應可能受到單帶電粒子效應（單事件效應或SEEs）以及硬誤差（破壞性）或軟誤差的影響。

為何 “設計級抗輻射（RHBD）” 至關重要

設計人員可通過"設計級抗輻射（RHBD）"方法應對這類輻射損傷，該方法有助于平衡性能、成本與器件供應需求。因此，太空和國防領域對高性能半導體在實時成像等應用中的需求十分迫切，但相關器件的供應卻極為有限，這給 RHBD 行業帶來了挑戰。

再加上高輻射耐受性高于1毫格雷（MGy）的電子設備，吸收輻射單位相當于千分之一格雷（或核聚變和小型模塊化反應堆（SMR）的0.1輻射，但由于性能和供應有限，受到限制。

目前有兩種解決方案可以在惡劣（充滿輻射）的環境中利用電子元件：

• 商業現成（COTS）組件的上級篩選。

• 使用太空級輻射硬化電子設備。

RHBD是需要極高劑量耐受集成電路、滿足航天和軍工行業嚴格可靠性和電子性能標準的應用的開門器。

抗輻射氮化鎵（GaN）寬帶隙功率半導體

有些人認為寬帶隙（WBG）半導體天生對輻射具有抗性。然而，WBG半導體的“固有”輻射硬度通常指其對總劑量的容忍度。WBG半導體的總劑量（圖2）指的是其對輻射的耐受性，特別是其承受電離輻射而不顯著降解的能力。

2. WBG技術概述，突出與帶隙能源相關特性。

輻射硬度保證（RHA）定義為確保空間系統中的電子設備和材料在暴露于自然空間輻射環境后能夠滿足設計規格而采取的活動。

航天器以及一些關鍵的航空電子動力系統包括月球和行星表面動力、火星運輸和月球門戶、小型裂變反應堆、小型衛星和電動飛機。科學有效載荷和儀器，如激光雷達（LiDAR）和質譜儀（見圖3）也包括在內。

3. 展示WBG RHA的航空航天驅動器。

GaN WBG技術：尺寸、重量與功率（SWaP）

GaN采用了電壓低于650伏的快速切換超結技術。GaN高電子遷移率晶體管（HEMT）結構（見圖4）實現了電子流動的二維路徑。電荷極化和晶格應變發生在AlGaN勢壘與GaN層之間。

4. GaN HEMT 具有高遷移率，無需摻雜即可實現。

白磁質（WBG）半導體表現出對總劑量的“固有”輻射硬容忍性。其閾值能量以及缺陷形成所需的電離能（即原子鍵強度）高于硅器件。WBG設備能夠在高溫下工作，這可能有助于減輕輻射劑量的影響。早期的WBG器件沒有柵極氧化物。

GaN HEMT 的高遷移率無需摻雜即可實現

設計者必須警惕單事件效應（SEEs）。WBG器件在SiC和GaN功率器件中都易受重離子誘導的災難性單事件燒毀影響。電荷電離的能量更高無法對SEE產生免疫力。GaN HEMT SEE表現出單事件燒毀（SEB）、漏電流衰減和單事件介電破裂（SEDR）。

下表展示了依賴SEE靈敏度的分析要求示例。在安靜且太陽事件條件下，可以計算出強烈的離子和質子誘導的SEE速率。

5. AlGaN/GaN HEMT 在 ESD 條件下的不同失效模式。

GaN HEMT 位移損傷劑量效應

GaN HEMT中的位移損傷劑量（DDD）參數降解將發生在高于典型空間應用的DDD水平。

GaN HEMT中的DDD效應：

• 閾值電壓偏移（通常是正電壓）

• 減少漏斗電流

• 移動性和跨導性降低

DDD易感性在以下情況下變得更大：

• 在照射過程中，組件部件存在偏置

• 零件曾經歷過熱載流應力

GaN HEMT 總電離劑量

氮化鎵場效應晶體（GaN FET）在電力應用中為外太空的寒冷空間打開了新技術趨勢的大門。對于易于使用的脈寬調制（PWM）控制器，配備高可靠性集成電路（IC），能夠直接驅動氮化鎵功率場效應晶體管（FET），需求量很大。

在以往的研究中，COTS GaN功率晶體管通過10 keV X射線暴露于TID效應。此類氮化鎵HEMT在州內外偏置條件下進行了測試。這些氮化鎵開關測試在照射前、照射中和照射后進行，器件在?50至+75°C的溫度范圍內進行了表征。 結果表明，GaN技術的帶隙為3.4 eV，是惡劣環境中的有力應用候選。

HEMT器件具有異質結，電子被限制在量子阱中，從而避免雜質散射。這些器件也被稱為二維電子氣體場效應晶體管（TEGFET）。

總結

氮化鎵器件的輻射硬度明顯高于硅和砷化鎵器件，主要得益于III-氮化物材料中的高鍵強度。氮化鎵對輻射損傷的響應取決于輻射劑量、類型和能量，以及載流子和位錯密度，以及雜質含量密度。

設計上，Rad-hard使得需要極高劑量容忍度的集成電路應用成為可能，同時也滿足航天和軍工行業中對電子和可靠性性能的要求。