Bahnbrechende Evaluierung von GaN-Transistoren in geostationären Satelliten

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 12886 (2022) Diesen Artikel zitieren

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In diesem Artikel präsentieren wir die Ergebnisse eines 6-jährigen Experiments im Weltraum, das die Auswirkungen von Strahlung in der Galliumnitrid (GaN)-Elektronik im geostationären Orbit untersuchte. Vier GaN-Transistoren in einer Colpitts-Oszillatorkonfiguration wurden im Component Technology Test-Bed an Bord des Telekommunikationssatelliten Alphasat geflogen. Eine heuristische Analyse wurde durchgeführt, indem die Schwankung der Ausgangsleistung der Oszillatoren mit der während der Mission gesammelten gesamten ionisierenden Dosis beobachtet wurde. Die gesamte ionisierende Dosis wurde mit einem strahlungsempfindlichen Feldeffekttransistor (RadFET) gemessen, der in der Nähe der GaN-Geräte platziert wurde. Das Experiment zeigte, dass GaN eine robuste Technologie ist, die in der Weltraumstrahlungsumgebung einer geostationären Umlaufbahn eingesetzt werden kann. Die hier vorgestellte Arbeit beginnt mit einer kurzen Einführung in das Thema, die Motivation und das Hauptziel. Anschließend folgt die Beschreibung des Versuchsaufbaus, einschließlich der Einzelheiten des Oszillatordesigns und der Simulationen sowie der Implementierung des Prüfstands und des Komponententechnologie-Prüfstands. Abschließend werden die Ergebnisse diskutiert, die während der 6-jährigen Erfahrung im Weltraum erzielt wurden.

Im Jahr 2012 startete ein Konsortium bestehend aus EFACEC, Instituto de Telecomunicações, EVOLEO Technologies, Laboratório de Instrumentação e Física Experimental de Partículas (LIP) und dem Ferdinand-Braun-Institut (FBH) ein von der Europäischen Weltraumorganisation finanziertes Projekt zur Entwicklung mehrerer Experimente an Bord der Telekommunikationssatellit Alphasat. Die Experimente waren Teil der Technology Demonstration Payload (TDP-8). Es umfasste einen vielversprechenden neuen Typ von HF-Transistor für Raumfahrt- und Militäranwendungen auf Basis von Galliumnitrid (GaN). Ziel war es, die Möglichkeit des Einsatzes der in Europa hergestellten GaN-Technologie in geostationären Satelliten zu überprüfen und zu erkunden. Wenn GaN unter Weltraumbedingungen erfolgreich funktioniert, könnten europäische Satellitenhersteller von innovativen und hocheffizienten HF-Leistungstransistoren und MMICs profitieren, die bei höheren Frequenzen arbeiten. Langfristig könnten sie sogar die aktuellen TWTA (Wanderfeldröhrenverstärker) und andere Technologien an Bord von Satelliten ersetzen.

Das Experiment flog von 2013 bis 2019 ununterbrochen im Orbit und ist das erste GaN-Experiment an Bord geostationärer Satelliten in Europa. Bereitstellung von Beweisen für die Fähigkeit dieser Technologie, im Weltraum zu funktionieren und eine praktikable Lösung für den Ersatz von TWTA in zukünftigen Satelliten- und Weltraummissionen zu werden (Trotz ihres höheren Eigenverbrauchs verbrauchen sie Energie und erfordern Heizwiderstände). Die Robustheit im Weltraumbetrieb wurde durch den Betrieb der GaN-Geräte in einer realen Weltraumstrahlungsumgebung demonstriert. Strahlung im Weltraum stellt für alle Systeme eine Gefahr dar, die die Leistung beeinträchtigen oder sogar den Betrieb dauerhaft stören kann. Es besteht aus drei Teilen: galaktische kosmische Strahlung (GCRs), Solarenergieteilchen (SEPs) und eingefangene Teilchen. Die geostationäre Umlaufbahn ist allen drei Komponenten stark ausgesetzt. Während GCRs aus einem konstant niedrigen Fluss hochenergetischer Protonen und schwerer Ionen bestehen, die Einzelereigniseffekte (Single Event Effects, SEEs) verursachen können, bestehen SEPs aus einem sehr großen Fluss energiegeladener Teilchen, die in stochastischen Ereignissen von der Sonne emittiert werden und eine hohe ionisierende Gesamtdosis liefern können (TID) in kurzer Zeit. Der Van-Allan-Gürtel, der diese Teilchen einfängt, erstreckt sich bis zur geostationären Umlaufbahn, und zwar in Form eines äußeren Elektronengürtels mit Energien von bis zu ~ 10 MeV, der die Abschirmung von Raumfahrzeugen durchdringen und zu hohen TID-Werten führen kann1.

Obwohl sich Studien zu GaN-Strahlungsschäden noch in einem frühen Stadium befinden, ist bekannt, dass der Hauptmechanismus der Strahlungsverschlechterung durch Verschiebungsschäden durch Protonen und Elektronen und Single-Event-Burnout (SEB) bei Einwirkung von Schwerionenstrahlung verursacht wird2,3,4. Die inhärente Härte von GaN-Schottky-gesteuerten Bauteilen gegenüber TID beruht auf der Tatsache, dass keine Metall-Oxid-Halbleiter-Kontakte (MOS) vorhanden sind. Die Anzahl der in der Nähe der Gate-Elektrode erzeugten Fallen wird daher verringert. Solche Fallen führen zu TID-Effekten auf die Geräteleistung (Erhöhung der Leckage und Verschiebung der Schwellenspannung)2. Ein Verschiebungsschaden tritt auf, wenn ein einfallendes Teilchen mit dem Kern eines Gitteratoms kollidiert und dabei genügend Energie überträgt, um es zu verschieben. Verdrängte Atome können stabile Defekte oder Fallen bilden, was zu einer verringerten Mobilität, einer Verschiebung der Schwellenspannung, einer Verringerung der Transkonduktanz und einem verringerten Drain-Sättigungsstrom führt3. SEB tritt auf, wenn ein einfallendes Partikel einen Hochfeldbereich im Gerät durchquert und so einen lokalen Hochstromzustand induziert, der zu einem katastrophalen Ausfall des Geräts führen kann. Elektrisch leitfähige Filamente können beispielsweise entstehen, wenn schwere Ionen durch empfindliche Gerätebereiche wie Feldplatten oder MIM-Kondensatoren auftreffen5. Während Strahlungstests am Boden die Grundlage für die Strahlungshärteprüfung elektronischer Geräte bilden, machen Flugdemonstrationen aufgrund der hohen Risiken bei Weltraummissionen einen entscheidenden Teil der Technologieentwicklung, insbesondere weil keine Einrichtungen die Weltraumstrahlungsumgebung und andere physikalische Bedingungen vollständig reproduzieren können. Das hier vorgestellte Experiment zielte darauf ab, die weltraumgestützte Zuverlässigkeit von GaN-Geräten unter den Bedingungen einer geostationären Umlaufbahn zu demonstrieren.

Das Experiment basierte auf 4 mit 2,5 GHz betriebenen Oszillatoren, die während der Mission kontinuierlich überwacht wurden. Zu den für die Analyse gesammelten Daten gehörten Drain-Source-Spannung (Vds), Gate-Source-Spannung (Vgs), Drain-Source-Strom (Ids), Leistung des von den Oszillatoren erzeugten Hochfrequenzsignals (RF), Energieverbrauch, Temperatur und TID denen die Bauteile ausgesetzt waren6. Die TID wurde mithilfe eines strahlungsempfindlichen Feldeffekttransistors (RadFET) auf Platinenebene (auf der Leiterplatte (PCB) des Oszillators) gemessen. Eine vollständige Beschreibung der TID-Bewertung finden Sie in7. Der gemessene TID für die gesamte Dauer der Mission betrug 3,3 Krad.

Das gesamte Experiment wurde vom Konsortium entworfen und realisiert, einschließlich der vier Oszillatoren, die die Untersuchung der Variabilität von Teil zu Teil aufgrund von Strahlungseffekten ermöglichten. Um die Verbindung und Steuerung aller Schaltkreise zu gewährleisten, wurde außerdem ein Motherboard entwickelt. Diese Platine versorgt die Schaltkreise zur Steuerung der Oszillatoren mit Strom, misst die charakteristischen Parameter der Oszillatoren und kommuniziert mit der Satellitensteuereinheit. Es ermöglichte das unabhängige Ein- und Ausschalten jedes Oszillators; Außerdem speiste es den Leistungsdetektor, maß die Oszillatorleistung unter Berücksichtigung des thermischen Effekts der Messleistungsdetektordioden selbst und maß die Bordtemperatur und den Strahlungspegel, dem es ausgesetzt sein wird. Die Hauptkomponenten dieses Boards werden in den nächsten Abschnitten detaillierter vorgestellt.

GaN-HEMT-Geräte (High Electron Mobility Transistor) stellen eine vielversprechende Technologie für Hochleistungsanwendungen dar. Ihre einzigartigen physikalischen Eigenschaften, wie eine große Bandlücke (3,4 eV) und ein hohes Durchbruchfeld (4 MV/cm), ermöglichen den Bau optimierter Geräte für Mikrowellen- und Millimeterwellenanwendungen. Da die Durchschlagsfähigkeit des Materials hoch ist, sind Geräte mit kleinen Source-Drain-Abständen machbar. Zusammen mit der Möglichkeit einer hohen Kanalstromdichte werden dadurch die ohmschen Verluste im Gerät erheblich reduziert. Daher ermöglicht GaN hocheffiziente Hochleistungs-HF-Verstärker. Sie übertreffen ihre Si-, GaAs- und SiC-Konkurrenten hinsichtlich Ausgangsleistung, Effizienz und Linearität. Daher sind sie für Raumfahrtanwendungen von großem Interesse und ermöglichen neuartige, hochinnovative Systeme, wie Strahllenkungskonzepte, den Ersatz von Wanderfeldröhren und viele andere Anwendungen8.

Die für das Alphasat-Nutzlastexperiment ausgewählten aktiven GaN-Geräte wurden am Ferdinand-Braun-Institut (FBH) in Berlin im Rahmen des von der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) finanzierten GaN-Benchmarking-Projekts (Vertrag Nr. 20328/06) entworfen, epigeprobt und verarbeitet /NL/IA). Sie bestanden aus einer 2-Finger (2 × 50 μm) GaN High Electron Mobility Transistor (HEMT)-Topologie mit einer Gesamtgatebreite von 100 μm und einer Gatelänge von 0,5 μm. Die Geräte wurden auf halbisolierenden SiC-Substraten mit den entsprechenden GaN- und AlGaN-Epitaxieschichten realisiert, optimiert für L- bis X-Band-Anwendungen. Die Transistoren hatten eine Pt-basierte Schottky-T-Gate-Metallisierungsstruktur ohne Feldplatten und waren mithilfe einer SiNx-Beschichtung vollständig passiviert. Abbildung 1 zeigt einen diskreten GaN-Transistor, der in die Umgebung der Oszillatorplatine eingebaut ist. Die Geräteperipherie wurde speziell für eine robuste und zuverlässige Montage entwickelt, wie sie für Weltraumanwendungen erforderlich ist (Chiplöten und Au-Draht-Wedge-Bonden, siehe Abb. 1). Wafer-S-Parameter-Prüfungen zeigten eine Übergangsfrequenz ft=\(36\mathrm{GHz},\) und eine maximale Frequenz der Leistungsverstärkung fmax = 78 GHz bei einer Drain-Vorspannung von 28 V. Bei einer Betriebsfrequenz von 2 GHz erreichten die Transistoren eine Leistungsdichte von 6 W/mm.

Foto des in der Oszillatorplatine montierten GaN-Transistors. Die Chipabmessungen betragen 660 × 210 µm2.

Es wurde eine Steuerplatine (Abb. 2 und 3) mit der Funktion entwickelt, die Oszillatoren und Sensoren unterzubringen, um diese Sensoren mit einem Kommunikationsprotokoll zu verbinden, um die Daten an den internen Satellitenkommunikationsbus zu liefern und sie schließlich an eine erdgebundene Bodenstation zu übertragen.

(a) CTTB, (b) Steuerplatine am CTTB.

Steckbrett testen.

Die Platine umfasst elektrische Stromsensoren, HF-Leistungspegelsensoren und Sensoren zur Messung von Temperatur und Strahlungspegel. Darüber hinaus können die Oszillatoren einzeln abgeschaltet werden. Alle Signale werden ordnungsgemäß mit Puffern isoliert und die Daten jedes Oszillators werden in einem einzigen Informationspaket zusammengefasst, bevor sie mit dem CTTB-Teil (Components Technology Test Bed) kommunizieren, der die experimentellen Daten verwaltet.

Das Experiment bestand aus drei klar definierten Phasen: Die erste Phase bestand aus der Herstellung eines funktionsfähigen Prototyps; Die zweite Phase war die Realisierung der Platine, einschließlich der endgültigen Oszillatoren. und schließlich die Montage der gesamten Ausrüstung.

Die erste Entscheidung bestand darin, auszuwählen, welche Art von Stromkreis für die Validierung von GaN-FET-Bauelementen im Weltraum verwendet werden sollte. Es wurden verschiedene Arten von Schaltungen berücksichtigt, beispielsweise Verstärker, Mischer oder Oszillatoren. Beispielsweise könnten Verstärker eine optimale Wahl für die GaN-Technologie an Bord von Satelliten gewesen sein, da solche Geräte in Zukunft möglicherweise Wanderfeldröhrenverstärker (TWTAs) ersetzen könnten. Allerdings machten die hohen Werte der verbrauchten Leistung, die Notwendigkeit externer Signalquellen und Treiberschaltungen zum Testen und nicht zuletzt die Massenzunahme für das Experiment diese Option für dieses Experiment unbrauchbar. HF-Oszillatoren benötigen jedoch keine zusätzlichen Signalanregungsquellen, was die Unterbringung aller Schaltkreise und Messsysteme im selben Gehäuse sowie eine Reduzierung des Stromverbrauchs und der Masse ermöglicht. Aus diesem Grund wurde als Schaltung der Oszillator ausgewählt, da er die Integration aller Sensoren auf derselben Platine ermöglicht und so Leistung, Masse und Platz auf der Platine optimiert.

Die verwendete HF-Oszillatortopologie folgt einer Colpitts-Konfiguration und geht davon aus, dass die Rückkopplungsschleife durch ein kapazitives/resistives Netzwerk erfolgt. Die Induktivität für die Colpitts-Anordnung und damit für die Resonanzschleife besteht aus einem koaxialen Resonator. Das Oszillatorschema ist in Abb. 4 und der Prototyp in Abb. 5 zu sehen.

Oszillatorschema.

Prototyp.

Da es sich um eine Schaltung handelt, die für den Einsatz in einer Weltraumumgebung konzipiert ist, müssen bewegliche Teile vermieden werden, was die Verwendung einstellbarer Komponenten wie variabler Kondensatoren einschränkt. Daher wurde ein koaxialer Resonator verwendet, dessen genaue Betriebsfrequenz anschließend die Schwingungsfrequenz bestimmt8.

Die für den Betrieb des Oszillators gewählte Frequenz betrug 2,5 GHz und die nominale Vds für die Geräte konnte bis zu 28 V betragen. Aufgrund der Verfügbarkeit der integrierten Gleichstromversorgung musste die Vds-Spannung jedoch auf 15 V und die Gate-Spannung begrenzt werden wurde bei Vgs = 0 V gehalten. Durch den Betrieb der GaN-Geräte in einer Oszillatorumgebung konnte der Transistor kaum und sogar stärker angeregt werden als in einem herkömmlichen Leistungsverstärker4.

Zusätzlich zum HF-Oszillator selbst enthielt die Systemtestplatine auch einen temperaturkompensierten Leistungsdetektor, um die Leistung des GaN-Schaltkreises im Weltraum zu überwachen. Daher wurde auch ein Leistungstastkopf entwickelt und vor dem Oszillator eingebaut. Daher war die gesamte Konfiguration ein komplettes HF-Labor im Weltraum. Der Ausgang der Messschaltung besteht aus zwei Gleichspannungen, von denen eine der Oszillatorleistung und die andere einer Kalibrierspannung zur Temperaturkalibrierung entspricht.

Der Oszillator wurde aus Duroid RT6010-Substrat gebaut und mit elektrisch und thermisch leitendem Klebstoff (ATI-ESP8350) am Außengehäuse befestigt. Dies wurde in Abwesenheit von Wasser dosiert, um eine Kristallisation zu verhindern, die zu Brüchen und Volumenveränderungen führen könnte. Um Risse aufgrund einer Diskrepanz des Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE) zu vermeiden, hatte das Gehäusematerial einen CTE in der Nähe eines der Substrate sowie gute elektrische und thermische Eigenschaften. Darüber hinaus muss es ein leichtes und robustes Material sein. Aus all den oben genannten Gründen wurde die Speziallegierung CE-17 ausgewählt, die mit 10 μm Ni + beschichtet und mit 1 μm Au bedeckt war.

Die Anordnung der Oszillatorschaltung muss außerdem eine HF-Isolation bis ca. 40 dB unterhalb des erzeugten Signals gewährleisten, damit es zu keinen elektromagnetischen Störungen der satelliteneigenen Funksysteme kommt. Daher musste der Oszillator in einem vollständig gekapselten Faradayschen Käfig arbeiten. Um die Wärmeableitung des Chips und die Erdungsverbindung zu verbessern, wurde er mit Epoxidkleber AIT (EG8050) direkt auf das Gehäuse geklebt. Der Großbuchstabe ist in Abb. 6 dargestellt.

Oszillatorgehäuse mit Absorbern.

Darüber hinaus haben wir auch ein HF-Absorbermaterial verwendet, das mit Silikonbasiskleber (ECCOSORB BSR-2-SS6 M) in den Deckel geklebt wurde, wie in Abb. 6 dargestellt. Es wurden thermische und Vakuumtestzyklen durchgeführt, um die Temperaturabhängigkeit zu untersuchen. und die HF-Signalleistungsisolation wurde in einer schalltoten Kammer gemessen.

In diesem Abschnitt werden die Ergebnisse zusammengefasst, die beim sechsjährigen Betrieb der entwickelten Platinen in einer geostationären Umlaufbahn von Juli 2013 bis April 2019 erzielt wurden. Ziel des Experiments war es, die Wirkung der gesamten ionisierenden Dosis (TID) von energetisch geladenen Teilchen und von Raumtemperaturzyklen zu überwachen von der Ausgangsleistung der GaN-Oszillatoren ab. Die unten dargestellten Zahlen zeigen die während der gesamten Missionsdauer gesammelten Daten.

Abbildung 7 zeigt die Variation der Temperatur und Dosis in Abhängigkeit von der verstrichenen Zeit. Beachten Sie, dass der Satellit anfangs nicht zu 100 % funktionsfähig war und nur einige Teile funktionierten. So begann der Satellit von April bis Oktober 2015 mit 100 % zu arbeiten, was die globale Temperatur erhöhte. Diese Abhängigkeit ist in Abb. 7 zu sehen. Aus derselben Abbildung lässt sich erkennen, dass die Strahlendosis erwartungsgemäß mit der Zeit zunimmt.

Schwankungen der Temperatur und Dosis im Laufe der Zeit.

Abbildung 8 zeigt die Beziehung zwischen jedem Oszillator hinsichtlich seiner Ausgangsleistung sowie der Strahlungsdosis und -temperatur. Im Allgemeinen scheint es, dass die Ausgangsleistung leicht zunimmt, wenn die Systemtemperatur abkühlt, was ein erwartetes Verhalten ist8. Ein weiterer relevanter Aspekt ist, dass die Ausgangsleistung mit zunehmender Strahlungsdosis, wenn auch geringfügig, abnimmt, was den Schluss zulässt, dass der Alterungsprozess und die Strahlung zu geringfügigen Änderungen im Verhalten des Geräts führen. Alle vier Oszillatoren zeigen das gleiche Muster, Oszillator 4 mit 12 %, und die anderen drei Oszillatoren weisen eine Variation von etwa 10 % ihrer Ausgangsleistung auf.

CCTB Eingangsspannung aller Oszillatoren als Funktion von Zeit und Dosis für Temperaturen zwischen 22 und 25 °C.

Die Ausgangsleistung der Oszillatoren ist eine Funktion der Eingangsspannung (das Ergebnis des Ausgangsleistungspegels des Oszillators mit interner thermischer Korrektur), der Temperatur und möglicherweise der gesamten ionisierenden Dosis (TID). Abbildung 7 zeigt die Variation der CCTB-Platinentemperatur (der Temperatursensor befindet sich über dem RadFet-Sensor) und der Dosis über die Zeit. Temperaturschwankungen werden durch die Umlaufbahn der Erde um die Sonne verursacht. Der starke Anstieg der Durchschnittstemperatur im Jahr 2015 hängt mit dem Satellitenbetrieb zusammen, der bis zu diesem Zeitpunkt nur teilweise lief. Da die Leistungsabgabe sehr temperaturempfindlich ist, wurden für die Analyse nur die Messungen in einem kleinen Temperaturbereich zwischen 22 und 25 °C berücksichtigt, der während der gesamten Mission für kurze Zeiträume erreicht wurde. Die Eingangsspannung war während der gesamten Mission für diese Temperaturwerte ziemlich stabil, wie in Abb. 8 dargestellt. Aus diesem Grund kann man davon ausgehen, dass sich die Ausgangsleistung für diese Analyse für jeden Oszillator nicht mit der Eingangsspannung änderte.

Unter Berücksichtigung der in einem Temperaturintervall zwischen 22 und 25 °C durchgeführten Messungen ist die Leistungsabgabe für alle vier Oszillatoren in Abb. 9 dargestellt. Drei von vier Oszillatoren erreichen im Orbit einen stabilen Betriebspegel. Beachten Sie, dass Oszillator 4 einen Wert von etwa 12 anzeigt %-Abnahme der Ausgangsleistung während des ersten Betriebsjahres aufgrund eines bekanntermaßen höheren komprimierten Vorspannungspunkts im Herstellungsprozess. Andererseits hatte dieser spezielle Oszillator auch eine höhere Anfangsleistung. Es ist zu beachten, dass alle Transistoren nach der Herstellung einem thermischen Einbrennverfahren unterzogen und so ausgewählt wurden, dass ihre Gleichstromleistungen vergleichbar waren. Wir gehen davon aus, dass die Unterschiede in den einzelnen Oszillatoren auf lokale Variationen dispersiver Effekte auf den jeweiligen Wafern zurückzuführen sind, die zu leicht unterschiedlichen anfänglichen Leistungsleistungen führen, obwohl die DC-Daten recht ähnlich sind. Als die GaN-Geräte für diese Weltraumexperimente bereitgestellt wurden, wurden keine voreingenommenen Einbrennverfahren durchgeführt. Dies hätte natürlich die beobachteten Variabilitäten verringern können. Dennoch blieben alle Oszillatoren bis zum Ende der Mission aktiv, mit geringfügigen Schwankungen in ihrer Leistungsabgabe, siehe Abb. 9. Es ist wichtig, dieses Ergebnis im Lichte der Strahlungsumgebung zu betrachten, der die Geräte ausgesetzt waren. Die geostationäre Umlaufbahn wird hauptsächlich von Elektronen bevölkert, was zu einem hohen TID, aber einer geringen Dosis an Verschiebungsschäden führt. Die Tatsache, dass die GaN-Technologie bekanntermaßen anfälliger für Letzteres ist und die Tatsache, dass der gemessene TID nicht sehr hoch war (~ 3,3 Krad), erklärt, warum keine nennenswerten Schäden an den Komponenten gemessen wurden.

Leistungsabgabe aller Oszillatoren als Funktion von Zeit und Dosis für Temperaturen zwischen 22 und 25 °C. Nur Oszillator 4 zeigt einen deutlichen Rückgang der Leistungsabgabe. (In diesem Fall haben die Transistoren keinen kombinierten thermischen/elektrischen Alterungsprozess durchlaufen, daher ist zu erwarten, dass der erste Teil der Grafik einem Einbrenneffekt entspricht.)

In diesem Artikel stellen wir die Ergebnisse eines sechsjährigen Experiments an Bord des Alphasat im geostationären Orbit vor, um das Verhalten der GaN-Technologie in der Weltraumstrahlungsumgebung zu untersuchen. Vier GaN-Transistoren in einer Colpitts-Oszillatorkonfiguration wurden zusammen mit einer Temperatursensorschaltung und einem RADFET zur TID-Bewertung auf einer Platine des CTTB-Instruments montiert.

Sowohl die Ausgangsleistung des Oszillators als auch die Eingangsspannung wurden für vier Oszillatoren überwacht. Die Ergebnisse zeigten bei drei der Oszillatoren vernachlässigbare Schwankungen. Die Leistungsabgabe des vierten Oszillators verringerte sich im ersten Betriebsjahr um etwa 12 %. Dennoch lagen alle Oszillatoren während der gesamten Dauer des Experiments innerhalb der Spezifikation. Anhand dieser Ergebnisse lieferte das Experiment Beweise für die Zuverlässigkeit der GaN-Technologie bei zukünftigen Weltraummissionen, zumindest im geostationären Orbit, wenn man bedenkt, dass es sich um einen elektronenreichen Orbit mit einer angemessenen Gesamtionisierungsdosis (TID) und einer geringen Verschiebungsschadensdosis handelt Ideal für eine Technologie, die gegenüber Ersterem eine geringe Empfindlichkeit gezeigt hat.

Sicard-Piet, A. et al. Ein neues internationales geostationäres Elektronenmodell: IGE-2006, von 1 keV bis 5,2 MeV. Weltraum Wea. 6, 7 (2008).

Google Scholar

Polyakov, AY et al. Strahlungseffekte in GaN-Materialien und -Geräten. J. Mater. Chem. C 1(5), 877–887 (2013).

Artikel CAS Google Scholar

Pearton, SJ, Ren, F., Patrick, E. & Law, ME Übersicht über die Auswirkungen ionisierender Strahlung auf GaN-Geräte. ECS J. Solid State Sci. Technol. 5(2), 35–60 (2016).

Artikel Google Scholar

Kuboyama, S. et al. Einzelereignisschäden durch Schwerionen, beobachtet in AlGaN/GaN-HEMTs. IEEE Trans. Nukl. Wissenschaft. 58(6), 2734–2738 (2011).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Kupsc, P. et al. Mikrostrahl-SEE-Analyse von MIM-Kondensatoren für GaN-Verstärker. IEEE Trans. Nukl. Wissenschaft. 65(2), 732–738. https://doi.org/10.1109/TNS.2018.2791564 (2018).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Mostardinha, H. GaN-HF-Test für Weltraumanwendungen. Workshop zu Mikrowellentechnologie und -techniken 2010, ESA-ESTEC Noordwijk, Niederlande

Sampaio, JM et al. Dosismessungen und Simulationen der RADFET-Reaktion an Bord der Alphasat CTTB-Experimente. IEEE Trans 67(9), 2028–2033 (2020).

ADS CAS Google Scholar

Mostardinha, H., et al. GaN-Schaltkreise für Raumfahrtanwendungen – 2,5-GHz- und 14-GHz-Oszillatoren. ESA-5th Space Agency 2010, ESA-ESTEC Noordwijk, Niederlande.

Referenzen herunterladen

Diese Arbeit wurde von der Europäischen Weltraumorganisation Alphasat TDP8 finanziert.

Institut für Telekommunikation – Universität Aveiro, Campus Universitário de Santiago, 3810-193, Aveiro, Portugal

Hugo Mostardinha, Diogo Matos und Nuno Borges Carvalho

Labor für Instrumentierung und experimentelle Teilchenphysik (LIP), Av. Prof. Gama Pinto 2, 1649-003, Lissabon, Portugal

Jorge Sampaio, Marco Pinto und Patricia Gonçalves

EFACEC Sistemas de Electrónica, SA – Aerospace Activity Manager, R. Eng. Frederico Ulrich, Apartado 3078, 4471-907, Moreira Maia, Portugal

Tiago Sousa

Ferdinand-Braun-Institut, Leibniz-Institut Für Höchstfrequenztechnik GgmbH, Gustav-Kirchhoff-Straße 4, 12489, Berlin, Germany

Paul Kurpas & Joachim Würfl

ESA/ESTEC Europäisches Weltraumforschungs- und Technologiezentrum, Keplerlaan 1, Postfach 299, 2200 AG, Noordwijk ZH, Niederlande

Andrew Barnes, Francis Garat und Christian Poivey

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Es gibt 6 Einheiten in dieser Arbeit, diese Arbeit war ein von einem Konsortium erstelltes Projekt. Die FBH-Autoren (PK und JW) waren für die Entwicklung der GaN-Technologie hinter diesem Experiment verantwortlich. Das IT-Team und das Team der Universidade de Aveiro (HM, DMe NC) waren für den Aufbau des Experiments und die Erstellung der notwendigen Schaltkreise für den Einbau an Bord des Satelliten verantwortlich. TS (EFACEC) war für die Herstellung des Experiments verantwortlich. AB, FG und CP (ESTEC) waren für die Spezifizierung der Anforderungen für dieses Experiment verantwortlich. JS, MP und PG (LIP) waren für die Interpretation und Bewertung der endgültigen Strahlungsergebnisse nach dem Weltraumexperiment verantwortlich Dauer.

Korrespondenz mit Nuno Borges Carvalho.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Mostardinha, H., Matos, D., Carvalho, NB et al. Bahnbrechende Evaluierung von GaN-Transistoren in geostationären Satelliten. Sci Rep 12, 12886 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-17179-y

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Eingegangen: 23. Dezember 2021

Angenommen: 21. Juli 2022

Veröffentlicht: 28. Juli 2022

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

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