AlGaN/GaN HEMT质子辐射效应研究进展

氮化镓（GaN）基异质结材料以其宽禁带、耐高温、高击穿电压以及优异的抗辐射性能成为航天领域半导体材料的研究和应用热点。而基于GaN材料的AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管（HEMT）因其制备过程带来的缺陷和损伤,性能将受到空间辐射的严峻挑战。文章对空间辐射环境下AlGaN/GaN HEMT的辐射机理和效应进行梳理;针对低中地球轨道以质子为主的辐射环境,对不同能量和注量的质子辐照对AlGaN/GaN HEMT的效应进行系统分析。鉴于从压电极化角度分析AlGaN/GaN HEMT的质子辐射效应存在欠缺,且不同能量和注量的质子辐照对器件的影响不同,提出后续应开展AlGaN/GaN HEMT辐射损伤机制、不同轨道辐射环境模拟以及质子辐照对AlGaN/GaN HEMT宏观特性影响研究。     

MOS电容器单粒子介质击穿导致GaN功率放大器失效分析

为验证一款GaN功率放大器抗空间辐射效应能力,对其进行了重离子单粒子效应试验研究。被试样品是由GaN HEMT、MOS电容器和电感器等组成的混合电路。试验源为加速器产生的锗离子(Ge+13,能量205 MeV),线性能量传输(LET)值为37.4 MeV·cm~2/mg。试验结果是:GaN HEMT性能未出现变化;MOS电容器发生了介质击穿失效,造成功率放大器功能失效。经验公式计算的单粒子介质击穿电压,与重离子试验结果基本吻合,得出MOS电容器单粒子介质击穿导致GaN功率放大器失效。研究表明,混合电路中无源的MOS电容器也会发生单粒子介质击穿失效,应用于空间环境时应进行单粒子效应评估。     

AlN/GaN HEMT毫米波器件结构仿真研究

为实现更高工作频率的氮化镓（gallium nitride,GaN）基高电子迁移率晶体管（high electron mobility transistor,HEMT）器件，采用薄势垒外延结构、缩小栅长对提升器件的截止频率十分重要。通过对不同氮化铝（aluminium nitride,AIN）势垒层厚度以及不同尺寸栅长的AlN/GaN HEMT进行仿真分析，系统研究不同结构对器件短沟道效应、直流及频率等特性的影响。首先固定栅长为100nm，研究了跨导与截止频率随AlN势垒层厚度的变化情况。跨导随势垒层厚度的增加先增大后减小。当势垒层厚度为4nm时，跨导达到最大值(592mS/mm)，截止频率也达到最大值。为尽可能提升器件的截止频率，同时避免器件出现短沟道效应，固定AlN势垒层厚度为4nm，研究器件截止频率与短沟道效应随器件栅长的变化情况。仿真表明器件截止频率随栅长的减小而增大，50nm栅长的器件截止频率最高，但栅长为50nm时器件短沟道效应严重，此时器件纵横比(Lg/Tbar)为12.5。因此需要提升器件的纵横比，当器件栅长达到100nm时(Lg/Tbar=25)，器件短沟道效应得到抑制，且具有较高的截止频率。仿真结果表明，AlN HEMT具有较高的截止频率，同时应采用较大的纵横比设计(纵横比为25左右)以抑制短沟道效应，为后续高频AlN/GaN HEMTs器件的制备提供了理论依据。     

GaN基高电子迁移率晶体管的质子辐照效应研究

文章研究了A1GaN/GaN高电子迁移率晶体管（HEMT）的质子辐照效应。在3MeV质子辐照下,采用三种不同辐照剂量6×10¹⁴,4×10¹⁴和1×10¹⁵protons/cm²。在最高辐照剂量下,漏极饱和电流下降了20%,最大跨导降低了5%。随着剂量增加,阈值电压向正向漂移,栅泄露电流增加。AlGaN/GaN HEMT电学特性的退化主要是由辐照引入的位移损伤引起的。从SRIM软件计算出空位密度,将Ga空位对应的能级引入Silvaco器件仿真软件中,仿真结果与实验结果相匹配。Hall测试结果显示二维电子气（2DEG）浓度和迁移率在辐照后有所降低。     

GaN基半导体技术的空间应用研究与展望

空间太阳能电站需要高效率、良好环境适应性和长寿命的新型光电转换材料和大功率半导体器件。从功率器件和太阳能电池两个方面,概述了宽禁带半导体在太阳能技术中的应用和研发动态。采用宽禁带半导体设计的GaN高效固态功放和禁带宽度从0.7 eV(InN)～3.4 eV(GaN)连续可调的InGaN直接带隙的太阳能电池具有可靠性高、效率高、体积小、质量轻、高抗辐射能力等优点。因此,随着GaN基宽禁带半导体材料及器件的进一步发展,可助推空间太阳能电站早日实现。     

第三代宽禁带半导体(SiC)器件在空间太阳能电站中的应用及进展

第三代宽禁带半导体(SiC、GaN)器件以其固有的大功率、耐高温及恶劣环境、抗辐照等特点，在替代传统的Si基器件方面具有无与伦比的技术优势。文章概述了第三代半导体（SiC）器件的发展现状，介绍了国内外第三代宽禁带半导体（SiC）器件研究进展及应用情况，并展望了第三代宽禁带半导体器件在空间太阳能电站中的应用前景。     

利用脉冲激光开展的卫星用器件和电路单粒子效应试验

利用脉冲激光进行单粒子效应试验具有操作方便、试验效率高、可对芯片单粒子效应响应的空间区域和时间特性进行测试等特点,可作为卫星用器件和电路单粒子效应测试的有力手段。利用自主建立的脉冲激光单粒子效应试验装置（PLSEE）,针对某卫星用数字器件和电路进行了辐照试验,观测到了丰富的单粒子效应现象,首次测试了多次单粒子锁定对器件和电路的影响,对器件选用评价和电路系统抗单粒子效应设计具有参考价值。利用此装置,还首次在国内对有空间应用背景和前景的运算放大器、光电耦合器进行了单粒子瞬态脉冲效应的试验,表明这些器件像数字器件一样会发生严重的单粒子效应,而且更难捕捉和定位,对卫星系统的威胁不容忽视。     

MMIC功率放大器中末级合成电路设计研究

采用100nm AlGaN/GaN HEMT工艺,以尺寸为90μm×8的GaN HEMT作为末级晶体管,研究可工作于Ku波段的功放MMIC末级四路合成电路。选择ADS Momentum作为仿真工具,设计两种末级合成电路,并提出一种改进幅度一致性的设计方法。对两种合成电路的各项指标进行比较,在14GHz~16GHz频段,簇丛式合成电路最大插损1.1d B,输出反射系数优于–18d B;Bus-bar总线合成电路最大插损0.9d B,输出反射系数优于–20d B。     

X/Ku波段宽带GaN微波固态功放技术研究

GaN作为新一代半导体材料具有宽禁带、高击穿场强、高饱和电子漂移速率以及抗辐射能力强等优点成为近几年来的研究热点,随着GaN功率管性能的不断提高,以GaN为基础的微波功率器件的应用取得了很大的进步.根据电子对抗领域微波固态功放的特点,设计一款基于GaN功率器件的X/Ku波段20W宽带固态功放,并给出了测试结果.     

卫星器件DC/DC抗单粒子效应的研究

文章介绍了在空间环境辐射效应的影响下卫星器件DC/DC电源转换器抗单粒子效应的实验研究工作.文章阐述了单粒子效应的机理及其对卫星器件的影响,并且介绍了利用串列加速器模拟空间辐射效应的实验.     

国产先进工艺SoC器件空间单粒子效应试验研究

国产某型号导航SoC器件采用55 nm商用工艺生产.针对该型器件的辐射敏感性分析表明其易受单粒子效应影响,为此利用重离子加速器完成空间单粒子辐照的地面模拟试验,考查器件的单粒子效应,为其空间应用提供数据支撑.结果表明:器件抗单粒子锁定的LET阈值大于81.4 MeV·cm2/mg,满足空间应用指标要求;但器件对单粒子翻...     

星载氮化镓固态功率放大器整机高可靠设计技术研究

为了满足星载应用对于固态功率放大器长寿命的应用需求，针对近年来研究较多的氮化镓（gallium nitride,GaN）固态功率放大器（solid state power amplifier,SSPA），阐述了器件存在的可靠性问题，提出了整机高可靠设计方法。首先，探讨了氮化镓器件的典型失效机理，给出了氮化镓器件在高场退化以及热退化方面的研究结果，分析了逆压电极化效应及热载流子效应引起器件退化的物理机制。其次，围绕降额设计、整机热设计以及电路稳定性设计，研究了如何针对氮化镓器件的特点实现星载固放的高可靠设计，并给出了典型的仿真及实验结果。最后，给出了典型的星载固态功率放大器空间环境模拟试验结果，产品在热真空试验、温循老炼以及高温老炼等试验过程中表现出了较高的稳定性和一致性，为氮化镓固态功率放大器的上星应用提供了有力的支撑。     

聚合物基热界面材料研究进展及空间应用探讨

聚合物基热界面材料的导热性能优化是解决航天器高热流密度载荷/器件散热问题的关键技术.文章梳理了聚合物基体调控、导热增强相调控以及基体/增强相界面调控等现有的聚合物基热界面材料导热性能优化技术,并结合真空、辐照和热循环等空间环境约束,分析了以上调控技术的空间应用可行性及注意事项,并针对航天器热控系统设计提出了聚合物基热界面材料的应用建议,以期为航天器用聚合物基热界面材料的设计和应用提供参考.     

空间CCD图像传感器辐射损伤评估方法

CCD图像传感器作为高灵敏度光电集成部件,易受空间辐射的影响而发生性能退化和工作异常。开展其辐射效应评价研究并制定相应的防护对策,是保证其在空间可靠应用的前提。文章通过地面模拟试验和辐射屏蔽计算,对空间用CCD图像传感器电离辐射损伤与位移损伤效应开展评估方法研究,为CCD抗辐射加固设计与地面评估试验提供参考。该方法也可用于其他光电器件和材料辐射效应评价。     

光电耦合器件中子辐照位移损伤效应试验研究

空间高能粒子引发的位移损伤效应会引起光电耦合器件饱和压降、电流传输比、击穿电压和正向电压等参数发生变化以致器件失效。为研究低地球轨道中子环境产生的位移损伤效应对该轨道航天器上光电耦合器件的影响,文章利用中子辐照源,在不同注量下对不同型号的光电耦合器件进行试验研究,得出器件饱和压降、电流传输比、击穿电压及正向电压随中子辐照注量的变化规律。研究结果表明:饱和压降、电流传输比和击穿电压对中子辐照的敏感度较高,而正向电压对辐照并不敏感。分析表明,辐照引起的位移损伤效应是导致器件电流传输性能退化的一个重要原因。研究结果可为光电耦合器件在空间环境中的使用提供试验依据和参考。     

商用微电子技术在卫星辐射环境中的应用

汇总了商用器件的辐射效应,讨论了这些器件的辐射敏感度,讨论了对其危害的评估方法和必要时的回避技术,以帮助设计师和项目管理人员在空间辐射环境中用好这些商用器件。     

氮化镓毫米波功放技术发展

氮化镓(GaN)毫米波功放器具有工作频率高、输出功率大、功率转换效率高等优势,在新一代移动通信、高分辨毫米波成像雷达等领域具有广阔的应用前景.本文综述了国内外GaN毫米波功率器件发展历史和低损耗栅结构、短沟道抑制技术、寄生电阻抑制技术等关键技术特点,综合分析了适合Ka-W波段GaN单片毫米波集成电路(MMIC)功放的架...     

MTM反熔丝器件编程单元的空间应用适应性评估

文章结合航天应用空间环境要求以及MTM反熔丝器件的特点,对MTM反熔丝器件编程单元的航天应用特性进行了分析,提出了MTM反熔丝单元的可靠性评估方法,并对MTM反熔丝单元编程前后的可靠性进行了评估;从抗总剂量和抗单粒子效应两方面对MTM反熔丝器件的空间环境适应性进行试验验证。结果表明:MTM反熔丝工艺满足空间环境应用需要,采用该工艺的器件应用于航天器具有较高的可靠性和空间环境适应性。     

视频处理芯片ADV212单粒子翻转影响分析及故障预案

ANALOG DEVICES公司生产的ADV212可以实现JPEG2000静止图像压缩编码的集成运算,由于其为工业级COMS器件,若用在空间领域,属于单粒子效应的影响对象.文章针对此器件的内部结构和特性,具体分析了其在发生单粒子翻转时所受到的影响,并针对不同的错误类型提出对应的解决措施,形成完整的故障预案.     

知识链接

《利用脉冲激光开展的卫星用器件和电路单粒子效应试验》一文中有关术语的解释如下:单粒子效应(Single Event Effects,SEE):单个的高能重离子或者质子和中子,通过与器件材料直接的电离作用或者核反应产生的次级离子的间接电离作用,在器件中形成额外的瞬间电荷,导致器件的逻辑状