静止衛星におけるGaNトランジスタの先駆的な評価

Scientific Reports volume 12、記事番号: 12886 (2022) この記事を引用

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メトリクスの詳細

この論文では、静止軌道上の窒化ガリウム (GaN) エレクトロニクスにおける放射線の影響を研究した、宇宙での 6 年間の実験の結果を紹介します。コルピッツ発振器構成の 4 つの GaN トランジスタが、アルファサット通信衛星に搭載されたコンポーネント技術テストベッドで飛行されました。ヒューリスティック分析は、ミッション中に収集された総電離線量による発振器の出力の変化を観察することによって実行されました。総電離線量は、GaN デバイスの近くに配置された放射線感知電界効果トランジスタ (RadFET) を使用して測定されました。この実験は、GaN が静止軌道の宇宙放射線環境で使用できる堅牢な技術であることを示しました。ここで紹介する作品は、主題、動機、主な目標の簡単な紹介から始まります。これに続いて、発振器の設計とシミュレーションの詳細、テストベッドとコンポーネント技術テストベッドの実装を含む実験セットアップの説明が続きます。最後に、6 年間の宇宙経験で得られた結果について説明します。

2012 年、EFACEC、電気通信研究所、EVOLEO Technologies、部品実験研究所 (LIP)、およびフェルディナンドブラウン研究所 (FBH) で構成されるコンソーシアムは、船上でいくつかの実験を開発するために、欧州宇宙機関の資金提供を受けるプロジェクトを開始しました。通信衛星アルファサット。この実験はテクノロジーデモンストレーションペイロード (TDP-8) の一部でした。これには、窒化ガリウム (GaN) をベースとした宇宙および軍事用途向けの有望な新しいタイプの RF トランジスタが含まれていました。目的は、ヨーロッパで製造された GaN 技術を静止衛星に使用する可能性を検証し、探ることでした。 GaN が宇宙条件で正常に動作すれば、ヨーロッパの衛星メーカーは、より高い周波数で動作する革新的で高効率の RF パワートランジスタと MMIC を手に入れることで恩恵を受ける可能性があります。長期的には、現在の TWTA (進行波管増幅器) や衛星に搭載されているその他の技術を置き換えることもできるでしょう。

この実験は2013年から2019年まで継続的に軌道上を飛行しており、ヨーロッパの静止衛星に搭載されたGaNの実験は初めてとなる。この技術が宇宙で動作し、将来の衛星や宇宙ミッションで TWTA を代替する実行可能なソリューションになるという証拠を提供しました (固有消費量が高いにもかかわらず、発熱抵抗器が必要なためエネルギーを消費します)。宇宙運用の堅牢性は、実際の運用宇宙放射線環境で GaN デバイスを動作させることによって実証されました。宇宙空間における放射線は、すべてのシステムにとって危険であり、パフォーマンスを低下させたり、動作を永久に中断したりする可能性があります。それは、銀河宇宙線 (GCR)、太陽エネルギー粒子 (SEP)、および捕捉された粒子の 3 つの部分で構成されています。静止軌道は 3 つのコンポーネントすべてに大きくさらされています。 GCR は、単一事象効果 (SEE) を引き起こす可能性がある高エネルギーの陽子と重イオンの一定の低フラックスで構成されているのに対し、SEP は、確率的事象として太陽から放出され、高い総電離線量をもたらす可能性のあるエネルギー的に荷電した粒子の非常に大きなフラックスで構成されています。 (TID) 短期間で。これらの粒子を捕捉するヴァンアランベルトは静止軌道まで、つまり、最大 10 MeV までのエネルギーを持つ外側電子ベルトの形で広がり、宇宙船のシールドを貫通して高い TID レベルを引き起こす可能性があります 1。

GaN の放射線損傷研究はまだ初期段階にありますが、放射線劣化の主なメカニズムは、重イオン放射線にさらされたときの陽子や電子による変位損傷とシングルイベントバーンアウト (SEB) によって引き起こされることが知られています 2,3,4。 GaN ショットキーゲートデバイスの TID に対する固有の硬さは、金属 - 酸化物 - 半導体 (MOS) コンタクトが存在しないという事実に由来します。したがって、ゲート電極近傍に発生するトラップの数が減少する。このようなトラップは、デバイスの性能に対する TID 効果 (リークの増加としきい値電圧のシフト) を引き起こします 2。変位損傷は、入射粒子が格子原子の核に衝突し、原子核を変位させるのに十分なエネルギーを伝達するときに発生します。移動した原子は安定した欠陥またはトラップを形成する可能性があり、その結果、移動度の低下、しきい値電圧のシフト、相互コンダクタンスの低下、およびドレイン飽和電流の減少が生じます3。 SEB は、入射粒子がデバイス内の高電界領域を通過するときに発生し、局所的な高電流状態を引き起こし、デバイスの壊滅的な故障につながる可能性があります。導電性フィラメントは、たとえば、重イオンがフィールドプレートや MIM キャパシタなどの敏感なデバイス領域を通って衝突するときに発生することがあります5。放射線地上試験は電子機器の耐放射線性保証のベースラインですが、特に宇宙放射線環境やその他の物理的条件を完全に再現できる施設がないため、宇宙ミッションではリスクが高いため、飛行デモンストレーションが技術開発の重要な部分となります。ここで紹介する実験は、静止軌道で見られる条件下での GaN デバイスの宇宙搭載信頼性を実証することを目的としています。

実験は 2.5 GHz で動作する 4 つの発振器に基づいて行われ、ミッション中は継続的に監視されました。分析のために収集されたデータには、ドレイン-ソース電圧 (Vds)、ゲート-ソース電圧 (Vgs)、ドレイン-ソース電流 (Ids)、発振器によって生成された無線周波数 (RF) 信号の電力、エネルギー消費、温度、および TID が含まれます。コンポーネントが対象となる6. TID は、基板レベル (発振器のプリント基板 (PCB) 上) で放射線感知電界効果トランジスタ (RadFET) を使用して測定されました。 TID 評価の完全な説明は、7 にあります。ミッションの全期間を通じて測定された TID は 3.3 krad でした。

放射線の影響による部品ごとの変動を研究できる 4 つの発振器を含む、完全な実験はコンソーシアムによって設計および実現されました。すべての回路の相互接続と制御を実行するために、マザーボードも設計されました。このボードは、発振器を制御する回路に電力を供給し、発振器の特性パラメータを測定し、衛星制御ユニットと通信します。これにより、各発振器の独立した電源投入またはシャットダウンが可能になりました。また、パワーディテクタに電力を供給し、測定用パワーディテクタダイオード自体の熱影響を考慮して発振器のパワーを測定し、オンボードの温度とさらされる放射線レベルを測定しました。このボードの主要コンポーネントについては、次のセクションで詳しく説明します。

GaN 高電子移動度トランジスタ (HEMT) デバイスは、高出力アプリケーションにとって非常に有望な技術を構成します。高バンドギャップ (3.4 eV) や高絶縁破壊電界 (4 MV/cm) などのユニークな物理的特性により、マイクロ波およびミリ波アプリケーションに最適化されたデバイスの構築が可能になります。材料の破壊能力が高いため、ソースからドレインまでの距離が短いデバイスが実現可能です。これにより、高いチャネル電流密度を実現できるとともに、デバイスの抵抗損失が大幅に減少します。したがって、GaN は高効率の高出力 RF アンプを可能にします。これらは、出力電力、効率、直線性の点で、Si、GaAs、SiC の競合製品よりも優れています。したがって、それらは宇宙用途にとって非常に興味深いものであり、ビームステアリングコンセプト、進行波管の代替、および他の多くの用途など、新しく非常に革新的なシステムを可能にします8。

Alphasat ペイロード実験用に選択されたアクティブ GaN デバイスは、欧州宇宙機関 (ESA) が資金提供する GaN ベンチマークプロジェクト (契約番号 20328/06) の枠組みに基づき、ベルリンのフェルディナンドブラウン研究所 (FBH) で設計、エピ成長、処理されました。 /NL/IA)。これらは、総ゲート幅 100 μm、ゲート長 0.5 μm の 2 フィンガー (2 × 50 μm) GaN 高電子移動度トランジスタ (HEMT) トポロジーで構成されていました。このデバイスは、LバンドからXバンドのアプリケーション向けに最適化された、対応するGaNおよびAlGaNエピタキシャル層を備えた半絶縁SiC基板上に実現されました。トランジスタはフィールドプレートのない Pt ベースのショットキー T ゲートメタライゼーション構造を持ち、SiNx コーティングを使用して完全に不動態化されました。図 1 は、発振器の PCB 環境に実装されたディスクリート GaN トランジスタを示しています。デバイスの周辺部は、宇宙用途で必要とされる頑丈で信頼性の高い取り付けを考慮して特別に設計されています (チップはんだ付けと Au ワイヤウェッジボンディング、図 1 を参照)。ウェハの S パラメータ調査により、28 V ドレインバイアスでの遷移周波数 ft=\(36\mathrm{ GHz},\) と電力増幅の最大周波数 fmax = 78 GHz が実証されました。 2 GHz の動作周波数で、トランジスタは 6 W/mm の電力密度に達しました。

発振器PCBに実装されたGaNトランジスタの写真。チップ寸法は660×210μm2です。

制御ボード（図2および3）は、発振器とセンサーを収容する機能を備えて開発され、これらのセンサーを通信プロトコルで相互接続し、データを内部の衛星通信バスに配信し、最終的に地上局に送信します。

(a) CTTB、(b) CTTB 上の制御ボード。

ブレッドボードをテストします。

このボードには、電流センサー、RF 電力レベルセンサー、温度および放射線レベルを測定するためのセンサーが含まれています。さらに、発振器を個別にシャットダウンできます。すべての信号はバッファーで適切に分離され、各発振器のデータは実験データを管理するコンポーネントテクノロジーテストベッド (CTTB) 部分と通信する前に 1 つの情報パックに結合されます。

実験は 3 つの明確に定義された段階で構成されていました。第 1 段階は機能的なプロトタイプの作成で構成されていました。第 2 段階は、最終発振器を含む基板の実現でした。そして最後に、すべての機器の組み立てです。

最初の決定は、宇宙で GaN FET デバイスを検証するためにどの種類の電気回路を使用するかを選択することでした。アンプ、ミキサー、発振器など、いくつかのタイプの回路が考慮されました。たとえば、増幅器は将来的に進行波管増幅器 (TWTA) に取って代わる可能性があるため、衛星に搭載された GaN テクノロジーにとっては最適な選択であった可能性があります。ただし、消費電力が高く、テスト用の外部信号源とドライバー回路が必要であること、そして最後に重要なことですが、実験の質量が増加したことにより、このオプションはこの実験では実行不可能になりました。しかし、RF 発振器は追加の信号励振源を必要としないため、すべての回路とその測定システムを同じボックス内に組み込むことができ、消費電力と質量も削減できます。このため、同じ基板上にすべてのセンサーを統合でき、電力、質量、基板上のスペースを最適化できる発振器が回路として選択されました。

採用された RF 発振器トポロジーはコルピッツ構成に従い、フィードバックループが容量性/抵抗性ネットワークによって作成されることを前提としています。コルピッツ配置のインダクタ、つまり共振ループのインダクタは、同軸共振器によって作成されます。発振器の回路図を図 4 に、プロトタイプを図 5 に示します。

発振器の回路図。

プロトタイプ。

宇宙環境での使用を想定して設計された回路であるため、可動部品が避けられ、可変コンデンサなどの調整可能な部品の使用が制限されます。したがって、同軸共振器が使用され、正確な動作周波数がその後の発振周波数を決定します8。

発振器を動作させるために選択された周波数は 2.5 GHz で、デバイスの公称 Vds は 28 V まで高くすることができましたが、オンボード DC 電源の利用可能性により、Vds 電圧は 15 V に制限する必要があり、ゲート電圧は発振器環境で GaN デバイスを動作させると、トランジスタはほとんど励起されず、従来のパワーアンプよりもさらに強く励起されます4。

システムテストボードには、RF 発振器自体に加えて、宇宙滞在中に GaN 回路の電力を監視するための温度補償された電力検出器も含まれていました。したがって、パワープローブも開発され、発振器の前に組み込まれました。したがって、全体の構成は宇宙における完全な RF 実験室でした。測定回路の出力は 2 つの DC 電圧で構成され、1 つは発振器の電力に対応し、もう 1 つは温度校正用の校正電圧に対応します。

発振器は Duroid RT6010 基板を使用して構築され、導電性および熱伝導性の接着剤 (ATI-ESP8350) を使用して外部ハウジングケースに取り付けられました。これは、破裂や体積変化を引き起こす可能性のある結晶化を防ぐために、水が存在しない状態で分配されていました。熱膨張係数 (CTE) の不一致による亀裂を避けるために、ケース材料は、良好な電気的および熱的特性に加えて、基板の 1 つに近い CTE を備えていました。さらに、軽量かつ堅牢な素材である必要があります。上記のすべての理由から、10 μm Ni + でコーティングされ、1 μm Au でキャップされた特殊合金 CE-17 が選択されました。

発振回路の配置では、衛星自身の無線システムとの電磁干渉が起こらないように、生成された信号よりも最大約 40 dB 低い RF 分離も保証する必要があります。したがって、発振器は完全にカプセル化されたファラデーケージ内で動作する必要がありました。チップの熱放散とグランド接続を改善するために、エポキシ接着剤 AIT (EG8050) を使用してチップをボックスに直接接着しました。上部のケースを図 6 に示します。

アブソーバー付き発振器エンクロージャー。

さらに、図 6 に示すように、シリコンベース接着剤 (ECCOSORB BSR-2-SS6 M) を使用して、カバー蓋の内側に RF 吸収材を接着しました。温度依存性を研究するために、熱および真空のテストサイクルが実施されました。 RF 信号のパワーアイソレーションは電波暗室で測定されました。

このセクションでは、2013 年 7 月から 2019 年 4 月までの 6 年間、開発したボードを静止軌道上で運用して得られた結果を要約します。実験は、エネルギー的に荷電した粒子および宇宙温度サイクルからの総電離線量 (TID) の影響を監視することを目的としていました。 GaN 発振器の出力に関係します。以下に示す図は、ミッション期間全体にわたって収集されたデータを示しています。

図7は、経過時間に応じた温度と線量の変化を示しています。当初、衛星は 100% 機能しておらず、一部の部分のみが機能していたことに注意してください。そのため、2015年4月から10月にかけて衛星が100％稼働するようになり、地球の気温が上昇しました。この依存関係は図 7 で見ることができます。同じ図から、予想どおり放射線量が時間の経過とともに増加することがわかります。

時間の経過に伴う温度と線量の変化。

図 8 は、各発振器の出力電力と放射線量および温度の関係を示しています。一般に、システム温度が下がると出力電力がわずかに増加するようですが、これは予想される動作です8。もう 1 つの関連する側面は、放射線量がわずかではあるものの増加すると出力電力が減少することです。これは、経年劣化プロセスと放射線がデバイスの動作に小さな変化を引き起こすという結論につながります。 4 つのオシレーターはすべて同じパターンを示し、オシレーター 4 は 12% で、他の 3 つのオシレーターは出力パワーの約 10% の変動があります。

CCTB 22 ～ 25 °C の温度における時間と線量の関数としてのすべての発振器の入力電圧。

発振器の出力電力は、入力電圧 (内部温度補正を伴う発振器の出力電力レベルの結果)、温度、および場合によっては総電離線量 (TID) の関数です。図 7 は、CCTB ボードの温度 (温度センサーは RadFet センサーの上に配置されています) と線量の時間の経過に伴う変化を示しています。温度の変動は、太陽の周りを回る地球の軌道によって引き起こされます。 2015 年の平均気温の大幅な上昇は、これまで部分的にしか稼働していなかった衛星の運用に関連しています。出力は温度に非常に敏感であるため、ミッション全体を通じて短時間に達する 22 ～ 25 °C の狭い温度範囲内で取得された測定値のみが分析の対象とされました。図 8 に示すように、入力電圧はこれらの温度値のミッション全体を通じてかなり安定していました。このため、各発振器のこの解析では、入力電圧によって電力出力が変化しなかったと想定できます。

22 ～ 25 °C の温度間隔で取得した測定を考慮して、4 つの発振器すべての出力を図 9 に示します。4 つの発振器のうち 3 つは軌道上で安定した動作レベルに達していますが、発振器 4 は約 12 の出力を示していることに注意してください。製造プロセスにおける既知のより高い圧縮バイアスポイントにより、動作の最初の 1 年間に出力電力が % 減少します。一方、この特定の発振器は、より高い初期電力出力も備えていました。すべてのトランジスタは製造後に熱バーンイン手順を受け、DC 性能が同等になるように選択されたことに注意してください。個々の発振器の違いは、特定のウェーハに対する分散効果の局所的な変動によるものであり、DC データは非常に類似しているにもかかわらず、初期出力性能がわずかに異なることにつながると考えられます。 GaN デバイスがこれらの宇宙実験に提供された時点では、バイアスのあるバーンイン手順は行われませんでした。もちろん、これにより観察された変動は減少した可能性があります。それにも関わらず、すべての発振器はミッションの終了まで動作し続けましたが、出力の変動はわずかでした（図 9 を参照）。デバイスがさらされた放射線環境を考慮してこの結果を考慮することが重要です。静止軌道には主に電子が存在しているため、TID は高くなりますが、変位による損傷量は低くなります。 GaN テクノロジーは後者の影響を受けやすいことが知られているという事実と、測定された TID がそれほど高くない (約 3.3 krad) という事実により、コンポーネントへの顕著な損傷が測定されなかった理由が説明されます。

22 ～ 25 °C の温度における時間と線量の関数としてのすべての発振器の出力。発振器 4 のみが出力の大幅な減少を示しています。 (この場合、トランジスタは熱と電気の複合老化プロセスを経ていないため、グラフの最初の部分はバーンイン効果に対応すると予想されます)。

この論文では、宇宙放射線環境にさらされたときの GaN テクノロジーの挙動を研究するために、静止軌道上のアルファサットに搭載された 6 年間の実験の結果を紹介しました。コルピッツ発振器構成の 4 つの GaN トランジスタが、TID 評価用の温度センサー回路および RADFET とともに CTTB 機器の基板に取り付けられました。

4 つの発振器について、発振器の電力出力と入力電圧の両方が監視されました。結果は、3 つの発振器で無視できるほどの変動があったことを示しました。 4 番目の発振器の出力は、動作の最初の 1 年間で約 12% 減少しました。それにも関わらず、すべての発振器は実験期間中ずっと仕様範囲内で動作していました。これらの結果から、この実験は、少なくとも静止軌道が妥当な総電離線量 (TID) と低い変位損傷線量を備えた電子豊富な軌道であることを考慮すると、将来の宇宙ミッションにおける GaN 技術の信頼性を裏付ける証拠を提供しました。前者に対する感度が低いテクノロジーには最適です。

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この研究は欧州宇宙機関、Alphasat TDP8 から資金提供を受けました。

電気通信研究所 - アベイロ大学、サンティアゴ大学キャンパス、3810-193、アベイロ、ポルトガル

ウーゴ・モスタルディーニャ、ディオゴ・マトス、ヌーノ・ボルヘス・カルヴァーリョ

計測および実験粒子物理学研究室 (LIP)、Av. Prof. Gama Pinto 2、1649-003、リスボン、ポルトガル

ホルヘ・サンパイオ、マルコ・ピント、パトリシア・ゴンサルベス

EFACEC Sistemas de Electrónica、SA – 航空宇宙活動マネージャー、R. Eng. Frederico Ulrich、Apartado 3078、4471-907、Moreira Maia、ポルトガル

ティアゴ・ソウザ

フェルディナンドブラウン研究所、ライプニッツ高周波技術研究所 GmbH、Gustav-Kirchhoff-Strasse 4、12489、ベルリン、ドイツ

ポール・クルパス & ヨアヒム・ヴェルフル

ESA/ESTEC 欧州宇宙研究技術センター、Keplerlaan 1、私書箱 299、2200 AG、Noordwijk ZH、オランダ

アンドリュー・バーンズ、フランシス・ガラット、クリスチャン・ポイヴェイ

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この作品には 6 つのエンティティがあり、この作品はコンソーシアムによって作成されたプロジェクトでした。 FBH の著者 (PK および JW) は、この実験の背後で GaN テクノロジーの開発を担当しました。 IT とアベイロ大学チーム (HM、DMe NC) が実験の組み立てと、衛星に搭載するために必要な回路の作成を担当しました。 TS (EFACEC) は実験の製造を担当しました。AB、FG および CP (ESTEC) はこの実験のニーズを指定する責任を負いました。JS、MP および PG (LIP) は宇宙実験後の最終放射線結果の解釈と評価を担当しました。間隔。

ヌーノ・ボルヘス・カルヴァーリョへの通信。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

シュプリンガーネイチャーは、発行された地図および所属機関における管轄権の主張に関して中立を保ちます。

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転載と許可

モスタルジーニャ、H.、マトス、D.、Carvalho、NB 他。静止衛星における GaN トランジスタの先駆的な評価。 Sci Rep 12、12886 (2022)。 https://doi.org/10.1038/s41598-022-17179-y

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受信日: 2021 年 12 月 23 日

受理日: 2022 年 7 月 21 日

公開日: 2022 年 7 月 28 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-17179-y

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