정지궤도 위성의 GaN 트랜지스터에 대한 선구적인 평가

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 12886(2022) 이 기사 인용

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본 논문에서는 정지궤도에서 질화갈륨(GaN) 전자 장치의 방사선 효과를 연구한 6년간의 우주 실험 결과를 제시합니다. Colpitts 발진기 구성의 4개의 GaN 트랜지스터가 Alphasat 통신 위성의 구성 요소 기술 테스트 베드에 비행되었습니다. 임무 중 수집된 총 이온화 선량에 따라 발진기의 전력 출력 변화를 관찰하여 휴리스틱 분석을 수행했습니다. 총 이온화 선량은 GaN 장치 가까이에 배치된 RadFET(방사선 감지 전계 효과 트랜지스터)를 사용하여 측정되었습니다. 실험을 통해 GaN이 정지 궤도의 우주 방사선 환경에서 사용될 수 있는 강력한 기술임을 보여주었습니다. 여기에 제시된 작업은 주제, 동기, 주요 목표에 대한 간략한 소개로 시작됩니다. 그 다음에는 발진기 설계 및 시뮬레이션의 세부 사항은 물론 테스트 베드 및 구성 요소 기술 테스트 베드의 구현을 포함하여 실험 설정에 대한 설명이 이어집니다. 마지막으로 6년간의 우주 경험을 통해 얻은 결과를 논의한다.

2012년에 EFACEC, Instituto de Telecomunicações, EVOLEO Technologies, Laboratório de Instrumentação e Física Experimental de Partículas(LIP) 및 Ferdinand Braun Institute(FBH)로 구성된 컨소시엄은 유럽 우주국의 자금 지원을 받아 여러 가지 선상 실험을 개발하는 프로젝트를 시작했습니다. 통신위성 알파샛. 실험은 TDP-8(Technology Demonstration Payload)의 일부였습니다. 여기에는 질화갈륨(GaN)을 기반으로 하는 우주 및 군사 응용 분야를 위한 유망한 새로운 유형의 RF 트랜지스터가 포함되었습니다. 목표는 유럽에서 생산된 GaN 기술을 정지궤도 위성에 사용할 수 있는 가능성을 검증하고 탐색하는 것이었습니다. GaN이 우주 조건에서 성공적으로 작동한다면 유럽 위성 제조업체는 더 높은 주파수에서 작동하는 혁신적이고 고효율 RF 전력 트랜지스터 및 MMIC를 보유함으로써 이점을 얻을 수 있습니다. 장기적으로는 현재의 TWTA(진행파관 증폭기) 및 기타 위성 탑재 기술을 대체할 수도 있습니다.

이 실험은 2013년부터 2019년까지 궤도에서 지속적으로 비행했으며, 이는 유럽에서 정지궤도 위성에 탑재된 GaN의 첫 번째 실험입니다. 우주에서 작동하고 미래의 위성 및 우주 임무에서 TWTA를 대체하기 위한 실행 가능한 솔루션이 될 수 있는 이 기술의 능력에 대한 증거를 제공했습니다. (더 높은 고유 소비에도 불구하고 가열 저항기가 필요하므로 에너지를 소비합니다.) 실제 운용 우주 방사선 환경에서 GaN 장치를 작동하여 우주 운용 견고성을 입증했습니다. 우주에서의 방사선은 성능을 저하시키거나 작동을 영구적으로 방해할 수 있는 모든 시스템에 대한 위험입니다. 은하우주선(GCR), 태양 에너지 입자(SEP), 갇힌 입자의 세 부분으로 구성됩니다. 정지 궤도는 세 가지 구성 요소 모두에 많이 노출되어 있습니다. GCR은 단일 사건 효과(SEE)를 일으킬 수 있는 고에너지 양성자와 중이온의 일정하고 낮은 플럭스로 구성되는 반면, SEP는 높은 총 이온화 선량을 제공할 수 있는 확률론적 사건에서 태양에서 방출되는 매우 큰 에너지 전하 입자 플럭스로 구성됩니다. (TID) 단시간에. 이러한 입자를 가두는 Van Allan 벨트는 정지궤도까지 확장됩니다. 즉 최대 10 MeV의 에너지를 갖는 외부 전자 벨트의 형태로 우주선 차폐를 관통하여 높은 TID 수준1을 초래할 수 있습니다.

GaN 방사선 손상 연구는 아직 초기 단계이지만, 방사선 열화의 주요 메커니즘은 중이온 방사선에 노출될 때 양성자와 전자의 변위 손상과 SEB(Single Event Burnout)로 인해 발생하는 것으로 알려져 있습니다2,3,4. TID에 대한 GaN 쇼트키 게이트 장치의 고유한 경도는 금속-산화물-반도체(MOS) 접점이 존재하지 않는다는 사실에서 비롯됩니다. 따라서 게이트 전극 부근에서 생성되는 트랩의 수가 감소된다. 이러한 트랩은 장치 성능에 TID 영향을 미칩니다(누설 증가 및 임계 전압 이동)2. 변위 손상은 입사 입자가 격자 원자의 핵과 충돌하여 변위하기에 충분한 에너지를 전달할 때 발생합니다. 변위된 원자는 안정적인 결함이나 트랩을 형성하여 이동도 감소, 임계 전압 이동, 상호 컨덕턴스 감소 및 드레인 포화 전류 감소를 초래할 수 있습니다3. SEB는 입사 입자가 장치의 높은 전계 영역을 통과하여 국부적인 고전류 상태를 유도할 때 발생하며, 이는 장치의 치명적인 고장을 초래할 수 있습니다. 예를 들어 중이온이 필드 플레이트 또는 MIM 커패시터와 같은 민감한 장치 영역을 통해 충돌할 때 전기 전도성 필라멘트가 발생할 수 있습니다5. 방사선 지상 테스트는 전자 장치의 방사선 경도 보증의 기준이지만, 우주 임무의 높은 이해관계로 인해 비행 시연은 기술 개발의 중요한 부분이 됩니다. 특히 우주 방사선 환경 및 기타 물리적 조건을 완전히 재현할 수 있는 시설이 없기 때문입니다. 여기에 제시된 실험은 정지 궤도에서 발견되는 조건에서 GaN 장치의 우주 기반 신뢰성을 입증하는 것을 목표로 했습니다.