Evaluación pionera de transistores de GaN en satélites geoestacionarios

Scientific Reports volumen 12, Número de artículo: 12886 (2022) Citar este artículo

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En este documento, presentamos los resultados de un experimento de 6 años en el espacio que estudió los efectos de la radiación en la electrónica de nitruro de galio (GaN) en órbita geoestacionaria. Se colocaron cuatro transistores de GaN en una configuración de oscilador Colpitts en el banco de pruebas de tecnología de componentes a bordo del satélite de telecomunicaciones Alphasat. Se realizó un análisis heurístico observando la variación en la potencia de salida de los osciladores con la dosis ionizante total recolectada durante la misión. La dosis total de ionización se midió con transistores de efecto de campo de detección de radiación (RadFET) colocados cerca de los dispositivos de GaN. El experimento demostró que GaN es una tecnología robusta que se puede utilizar en el entorno de radiación espacial de una órbita geoestacionaria. El trabajo aquí presentado comienza con una breve introducción del tema, la motivación y el objetivo principal. A esto le sigue la descripción de la configuración experimental, incluidos los detalles del diseño y las simulaciones del oscilador, así como la implementación del banco de pruebas y el banco de pruebas de tecnología de componentes. Finalmente, se comentan los resultados obtenidos durante los 6 años de experiencia en el espacio.

En 2012, un consorcio formado por EFACEC, Instituto de Telecomunicações, EVOLEO Technologies, Laboratório de Instrumentação e Física Experimental de Partículas (LIP) y el Instituto Ferdinand Braun (FBH) inició un proyecto financiado por la Agencia Espacial Europea para desarrollar varios experimentos a bordo el satélite de telecomunicaciones Alphasat. Los experimentos formaron parte de la carga útil de demostración de tecnología (TDP-8). Incluía un nuevo y prometedor tipo de transistor de RF para aplicaciones espaciales y militares basado en nitruro de galio (GaN). El objetivo era verificar y explorar la posibilidad de utilizar tecnología GaN producida en Europa en satélites geoestacionarios. Si GaN funciona con éxito en condiciones espaciales, los fabricantes de satélites europeos pueden beneficiarse de tener MMIC y transistores de potencia de RF innovadores y altamente eficientes que funcionen a frecuencias más altas. A largo plazo, podrían incluso reemplazar los actuales TWTA (amplificadores de válvulas de onda viajera) y otras tecnologías a bordo de los satélites.

El experimento voló continuamente en órbita desde 2013 hasta 2019, y es el primer experimento de GaN a bordo de satélites geoestacionarios en Europa. Proporcionó evidencia sobre la capacidad de esta tecnología para operar en el espacio y convertirse en una solución viable para sustituir TWTA en futuras misiones satelitales y espaciales (a pesar de su mayor consumo intrínseco, consumen energía con la necesidad de resistencias de calentamiento). La solidez operativa espacial se demostró al operar los dispositivos de GaN en un entorno de radiación espacial operativo real. La radiación en el espacio es un peligro para todos los sistemas que pueden degradar el rendimiento o incluso interrumpir permanentemente la operación. Se compone de tres partes: rayos cósmicos galácticos (GCR), partículas de energía solar (SEP) y partículas atrapadas. La órbita geoestacionaria está muy expuesta a los tres componentes. Mientras que los GCR comprenden un flujo bajo constante de protones altamente energéticos e iones pesados que pueden causar efectos de evento único (SEE), los SEP consisten en un flujo muy grande de partículas cargadas energéticamente emitidas por el Sol en eventos estocásticos que pueden entregar una dosis ionizante total alta. (TID) en un corto período de tiempo. El cinturón de Van Allan que atrapa estas partículas se extiende hasta la órbita geoestacionaria, es decir, en forma de un cinturón de electrones exterior con energías de hasta ~ 10 MeV, que pueden penetrar el blindaje de las naves espaciales y producir niveles elevados de TID1.

Aunque los estudios de daño por radiación de GaN aún se encuentran en una fase inicial, se sabe que el principal mecanismo de degradación por radiación es causado por el daño por desplazamiento de protones y electrones y el agotamiento por evento único (SEB) cuando se expone a radiación de iones pesados2,3,4. La dureza inherente de los dispositivos con compuerta GaN Schottky a TID proviene del hecho de que los contactos de metal-óxido-semiconductor (MOS) no están presentes. Por lo tanto, se reduce el número de trampas generadas en las proximidades del electrodo de puerta. Tales trampas conducen a efectos TID en el rendimiento del dispositivo (aumento de fugas y cambio de voltaje de umbral)2. El daño por desplazamiento ocurre cuando una partícula incidente choca con el núcleo de un átomo reticular, transfiriendo suficiente energía para desplazarlo. Los átomos desplazados pueden formar defectos estables o trampas, lo que da como resultado una menor movilidad, un cambio de voltaje de umbral, una disminución de la transconductancia y una disminución de la corriente de saturación de drenaje3. SEB ocurre cuando una partícula incidente pasa a través de una región de alto campo en el dispositivo y, por lo tanto, induce un estado localizado de alta corriente, que puede conducir a una falla catastrófica del dispositivo. Pueden producirse filamentos eléctricamente conductores, por ejemplo, cuando iones pesados inciden a través de regiones sensibles del dispositivo, como placas de campo o condensadores MIM5. Si bien las pruebas de radiación en tierra son la base para garantizar la dureza de la radiación de los dispositivos electrónicos, los grandes riesgos de las misiones espaciales hacen que las demostraciones de vuelo sean una parte fundamental del desarrollo tecnológico, especialmente porque ninguna instalación puede reproducir completamente el entorno de radiación espacial y otras condiciones físicas. El experimento presentado aquí tuvo como objetivo demostrar la confiabilidad espacial de los dispositivos GaN en las condiciones que se encuentran en la órbita geoestacionaria.

El experimento se basó en 4 osciladores operados a 2,5 GHz, que fueron monitoreados continuamente durante la misión. Los datos recopilados para el análisis incluyeron voltaje de fuente de drenaje (Vds), voltaje de fuente de puerta (Vgs), corriente de fuente de drenaje (Ids), potencia de la señal de radiofrecuencia (RF) generada por los osciladores, consumo de energía, temperatura y TID al que estaban sujetos los componentes6. La TID se midió utilizando transistores de efecto de campo de detección de radiación (RadFET) a nivel de placa (en la placa de circuito impreso (PCB) del oscilador). Puede encontrar una descripción completa de la evaluación TID en7. El TID medido durante toda la duración de la misión fue de 3,3 krad.

El experimento completo fue diseñado y realizado por el consorcio, incluidos los cuatro osciladores que permitieron estudiar la variabilidad parte a parte debido a los efectos de la radiación. Para realizar la interconexión y control de todos los circuitos, también se diseñó una placa base. Esta placa alimenta los circuitos para controlar los osciladores, medir los parámetros característicos de los osciladores y comunicarse con la unidad de control del satélite. Permitía el encendido o apagado independiente de cada uno de los osciladores; también alimentó el detector de potencia, midió la potencia del oscilador teniendo en cuenta el efecto térmico de los propios diodos del detector de potencia de medición, y midió la temperatura a bordo y el nivel de radiación al que estará expuesto. Los principales componentes de esta placa se presentan con más detalle en las siguientes secciones.

Los dispositivos de transistores de alta movilidad de electrones (HEMT) de GaN constituyen una tecnología muy prometedora para aplicaciones de alta potencia. Sus propiedades físicas únicas, como la banda prohibida alta (3,4 eV) y el campo de ruptura alto (4 MV/cm), permiten la construcción de dispositivos optimizados para aplicaciones de microondas y ondas milimétricas. Como la capacidad de descomposición del material es alta, son factibles los dispositivos con distancias entre la fuente y el drenaje pequeñas. Junto con la capacidad de tener una alta densidad de corriente de canal, esto reduce significativamente las pérdidas óhmicas en el dispositivo. Por lo tanto, GaN permite amplificadores de RF de alta potencia altamente eficientes. Superan a sus competidores de Si, GaAs y SiC en términos de potencia de salida, eficiencia y linealidad. Por lo tanto, son de gran interés para las aplicaciones espaciales y permiten sistemas novedosos y muy innovadores, como los conceptos de direccionamiento del haz, la sustitución de los tubos de ondas viajeras y muchas otras aplicaciones8.

Los dispositivos de GaN activos seleccionados para el experimento de carga útil de Alphasat se diseñaron, desarrollaron y procesaron en el Instituto Ferdinand Braun (FBH) en Berlín en el marco del proyecto de evaluación comparativa de GaN financiado por la Agencia Espacial Europea (ESA) (Contrato No. 20328/06 /NL/AI). Consistían en una topología de transistor de alta movilidad de electrones (HEMT) GaN de 2 dedos (2 × 50 μm) con un ancho de puerta total de 100 μm y una longitud de puerta de 0,5 μm. Los dispositivos se realizaron sobre sustratos semiaislantes de SiC con las correspondientes capas epitaxiales de GaN y AlGaN, optimizados para aplicaciones de banda L a X. Los transistores tenían una estructura de metalización Schottky T-Gate basada en Pt sin placas de campo y estaban totalmente pasivados con un revestimiento de SiNx. La Figura 1 muestra un transistor GaN discreto montado en el entorno de PCB del oscilador. La periferia del dispositivo se ha diseñado especialmente para tener en cuenta un montaje resistente y fiable según lo requieran las aplicaciones espaciales (soldadura de chip y unión de cuña de alambre de Au, consulte la Fig. 1). El sondeo del parámetro S de la oblea demostró una frecuencia de transición ft=\(36\mathrm{ GHz},\) y una frecuencia máxima de amplificación de potencia fmax = 78 GHz con una polarización de drenaje de 28 V. A una frecuencia de operación de 2 GHz, los transistores alcanzaron una densidad de potencia de 6 W/mm.

Fotografía del transistor GaN montado en la PCB del oscilador. Las dimensiones del chip son 660 × 210 µm2.

Se desarrolló un tablero de control (Figs. 2 y 3) con la función de albergar los osciladores y sensores para interconectar dichos sensores con un protocolo de comunicación para entregar los datos al bus de comunicación satelital interno y finalmente transmitirlos a una estación terrestre terrestre.

(a) CTTB, (b) Tablero de control en CTTB.

Protoboard de prueba.

La placa incluye sensores de corriente eléctrica, sensores de nivel de potencia de RF y sensores para medir la temperatura y el nivel de radiación; además, los osciladores se pueden apagar individualmente. Todas las señales están debidamente aisladas con búferes, y los datos de cada oscilador se combinan en un solo paquete de información antes de comunicarse con la parte del banco de pruebas de tecnología de componentes (CTTB) que gestiona los datos experimentales.

El experimento constó de tres etapas bien definidas: la primera etapa consistió en realizar un prototipo funcional; la segunda etapa fue la realización del tablero, incluidos los osciladores finales; y por último, el montaje de todo el equipamiento.

La primera decisión fue seleccionar qué tipo de circuito eléctrico debería usarse para validar los dispositivos FET de GaN en el espacio. Se tomaron en consideración varios tipos de circuitos, como amplificadores, mezcladores u osciladores. Por ejemplo, los amplificadores podrían haber sido una opción óptima para la tecnología GaN a bordo de los satélites porque estos dispositivos podrían reemplazar potencialmente a los amplificadores de válvulas de onda viajera (TWTA) en el futuro. Sin embargo, los altos valores de potencia consumida, la necesidad de fuentes de señal externas y circuitos de control para las pruebas y, por último, pero no menos importante, el aumento de masa para el experimento hizo que esta opción fuera inviable para este experimento. Los osciladores de RF, sin embargo, no necesitan fuentes de excitación de señal extra, lo que permite la inclusión de todos los circuitos y sus sistemas de medición dentro de la misma caja, así como la reducción del consumo de energía y masa. Por ello, el circuito seleccionado fue el oscilador, ya que permite integrar todos los sensores en una misma placa, optimizando potencia, masa y espacio en la placa.

La topología del oscilador de RF adoptada sigue una configuración de Colpitts y asume que el circuito de retroalimentación está hecho por una red capacitiva/resistiva. El inductor para la disposición de Colpitts y, por lo tanto, para el bucle de resonancia, está formado por un resonador coaxial. El esquema del oscilador se puede ver en la Fig. 4 y el prototipo en la Fig. 5.

Esquema del oscilador.

Prototipo.

Dado que es un circuito diseñado para usarse en un entorno espacial, se deben evitar las partes móviles, lo que limita el uso de componentes ajustables, como capacitores variables. Así, se utilizó un resonador coaxial, con una frecuencia de operación precisa que posteriormente determina la frecuencia de oscilación8.

La frecuencia seleccionada para hacer funcionar el oscilador era de 2,5 GHz y el Vds nominal para los dispositivos podía llegar a los 28 V, pero debido a la disponibilidad de la fuente de alimentación de CC a bordo, el voltaje de Vds tenía que limitarse a 15 V y el voltaje de la compuerta se mantuvo en Vgs = 0 V. El funcionamiento de los dispositivos de GaN en un entorno de oscilador permitió que el transistor se excitara apenas e incluso más que en un amplificador de potencia tradicional4.

Además del propio oscilador de RF, la placa de prueba del sistema también incluía un detector de potencia compensado por temperatura para monitorear la potencia del circuito de GaN mientras estaba en el espacio. Por lo tanto, también se desarrolló e incluyó una sonda de potencia frente al oscilador. Por lo tanto, toda la configuración era un completo laboratorio de RF en el espacio. La salida del circuito de medida consta de dos tensiones continuas, una correspondiente a la potencia del oscilador y la otra a una tensión de calibración para la calibración de temperatura.

El oscilador se construyó con sustrato Duroid RT6010 y se adjuntó a la caja de la carcasa externa con pegamento adhesivo conductor eléctrico y térmico (ATI-ESP8350). Este había sido dosificado en ausencia de agua para evitar la cristalización, que podría generar rupturas y cambios de volumen. Para evitar grietas debido a un desajuste del coeficiente de expansión térmica (CTE), el material de la caja tenía un CTE cerca de uno de los sustratos, así como buenas propiedades eléctricas y térmicas. Además, tiene que ser un material ligero y robusto. Por todo lo anterior, se eligió la aleación especial CE-17 recubierta con 10 μm de Ni+ y rematada con 1 μm de Au.

La disposición del circuito oscilador también debe garantizar el aislamiento de RF hasta aproximadamente 40 dB por debajo de la señal generada para que no haya interferencias electromagnéticas con los sistemas de radio propios de los satélites. Por lo tanto, el oscilador tenía que operar en una jaula de Faraday completamente encapsulada. Para mejorar la disipación térmica del chip y la conexión a tierra, se pegó directamente a la caja con cola epoxi AIT (EG8050). La caja superior se muestra en la Fig. 6.

Recinto del oscilador con absorbentes.

Además, también usamos un material absorbente de RF pegado dentro de la tapa de la cubierta usando pegamento a base de silicona (ECCOSORB BSR-2-SS6 M), como se muestra en la Fig. 6. Se realizaron ciclos de prueba térmica y de vacío para estudiar la dependencia de la temperatura, y el aislamiento de potencia de la señal de RF se midió en una cámara anecoica.

Esta sección resume los resultados obtenidos al operar las placas desarrolladas en una órbita geoestacionaria durante 6 años desde julio de 2013 hasta abril de 2019. El experimento tenía como objetivo monitorear el efecto de la dosis ionizante total (TID) de partículas cargadas energéticamente y de ciclos de temperatura espacial. en la potencia de salida de los osciladores de GaN. Las cifras que se presentan a continuación muestran los datos recopilados durante toda la duración de la misión.

La figura 7 muestra la variación de la temperatura y la dosis en función del tiempo transcurrido. Tenga en cuenta que inicialmente, el satélite no era 100% funcional, donde solo algunas partes funcionaban. Así, de abril a octubre de 2015, el satélite comenzó a operar al 100%, lo que aumentó la temperatura global. Esta dependencia se puede ver en la Fig. 7. De la misma figura, es posible observar que la dosis de radiación aumenta con el tiempo, como se esperaba.

Variación de la temperatura y dosis a lo largo del tiempo.

La Figura 8 presenta la relación entre cada oscilador en cuanto a su potencia de salida y la dosis de radiación y la temperatura. En general, parece que la potencia de salida aumenta ligeramente cuando la temperatura del sistema se enfría, lo cual es el comportamiento esperado8. Otro aspecto relevante es que la potencia de salida disminuye al aumentar la dosis de radiación, aunque sea levemente, lo que lleva a concluir que el proceso de envejecimiento y la radiación provocan pequeños cambios en el comportamiento del dispositivo. Los cuatro osciladores presentan el mismo patrón, el oscilador 4 con un 12%, y los otros tres osciladores tienen una variación de aproximadamente un 10% de su potencia de salida.

CCTB Tensión de entrada de todos los osciladores en función del tiempo y dosis para temperaturas entre 22 y 25 °C.

La potencia de salida de los osciladores es una función del voltaje de entrada (el resultado del nivel de potencia de salida del oscilador con corrección térmica interna), la temperatura y, posiblemente, la dosis total de ionización (TID). La Figura 7 muestra la variación en la temperatura de la placa CCTB (el sensor de temperatura está ubicado sobre el sensor RadFet) y la dosis a lo largo del tiempo. Las fluctuaciones de temperatura son causadas por la órbita de la Tierra alrededor del Sol. El gran aumento de la temperatura media en 2015 está relacionado con las operaciones de los satélites que solo estaban en marcha parcialmente hasta la fecha. Dado que la potencia de salida es muy sensible a la temperatura, solo se consideraron para el análisis las medidas tomadas dentro de un pequeño rango de temperaturas entre 22 y 25 °C, que se alcanzó durante toda la misión por cortos períodos de tiempo. El voltaje de entrada fue bastante estable durante toda la misión para estos valores de temperatura, como se muestra en la Fig. 8. Por esta razón, se puede suponer que la potencia de salida no cambió con el voltaje de entrada para este análisis para cada oscilador.

Considerando las medidas tomadas en un intervalo de temperatura entre 22 y 25 °C, la potencia de salida para los cuatro osciladores se muestra en la Fig. 9. Tres de los cuatro osciladores alcanzan un nivel de operación estable en órbita, observe que el oscilador 4 muestra un nivel de aproximadamente 12 % de disminución de la potencia de salida durante el primer año de funcionamiento, debido a un punto de polarización comprimido más alto conocido en el proceso de fabricación. Por otro lado, este oscilador en particular también tenía una salida de potencia inicial más alta. Cabe señalar que todos los transistores se sometieron a un procedimiento de quemado térmico después de la fabricación y se seleccionaron de manera que sus rendimientos de CC fueran comparables. Suponemos que las diferencias en los osciladores individuales se deben a las variaciones locales de los efectos dispersivos en las obleas particulares, lo que conduce a rendimientos de potencia iniciales ligeramente diferentes, aunque los datos de CC son bastante similares. En el momento en que se proporcionaron los dispositivos de GaN para estos experimentos espaciales, no se llevaron a cabo procedimientos parciales de quemado. Esto, por supuesto, podría haber reducido las variabilidades observadas. No obstante, todos los osciladores permanecieron activos hasta el final de la misión con pequeñas variaciones en su potencia de salida, ver Fig. 9. Es importante considerar este resultado a la luz del entorno de radiación al que estaban sujetos los dispositivos. La órbita geoestacionaria está poblada principalmente por electrones, lo que conduce a una alta TID pero a una baja dosis de daño por desplazamiento. El hecho de que se sepa que la tecnología GaN es más susceptible a este último y el hecho de que el TID medido no fuera muy alto (~ 3,3 krad) explica por qué no se midió ningún daño perceptible en los componentes.

Potencia de salida de todos los osciladores en función del tiempo y dosis para temperaturas entre 22 y 25 °C. Solo el Oscilador 4 muestra una disminución significativa en la potencia de salida. (En este caso, los transistores no han pasado por un proceso combinado de envejecimiento térmico/eléctrico, por lo que se espera que la primera parte del gráfico corresponda a un efecto de quemado).

En este documento, presentamos los resultados de un experimento de 6 años a bordo del Alphasat en órbita geoestacionaria para estudiar el comportamiento de la tecnología GaN cuando está sujeta al entorno de radiación espacial. Se montaron cuatro transistores de GaN en una configuración de oscilador Colpitts en una placa del instrumento CTTB junto con un circuito de sensor de temperatura y un RADFET para la evaluación de TID.

Tanto la potencia de salida del oscilador como el voltaje de entrada fueron monitoreados para cuatro osciladores. Los resultados mostraron una variación insignificante en tres de los osciladores. La potencia de salida del cuarto oscilador disminuyó aproximadamente un 12 % durante el primer año de funcionamiento. Sin embargo, todos los osciladores funcionaron dentro de las especificaciones durante toda la duración del experimento. A partir de estos resultados, el experimento proporcionó evidencia que respalda la confiabilidad de la tecnología GaN en futuras misiones espaciales, al menos en órbita geoestacionaria considerando que esta es una órbita rica en electrones con una dosis ionizante total (TID) razonable y una dosis de daño de desplazamiento baja, que es ideal para una tecnología que ha mostrado poca sensibilidad a la primera.

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Descargar referencias

Este trabajo fue financiado por la Agencia Espacial Europea, Alphasat TDP8.

Instituto de Telecomunicaciones - Universidad de Aveiro, Campus Universitário de Santiago, 3810-193, Aveiro, Portugal

Hugo Mostardinha, Diogo Matos y Nuno Borges Carvalho

Laboratorio de Instrumentación y Física Experimental de Partículas (LIP), Av. Profe. Gama Pinto 2, 1649-003, Lisboa, Portugal

Jorge Sampaio, Marco Pinto y Patricia Gonçalves

EFACEC Sistemas de Eletrónica, SA– Gerente de Actividad Aeroespacial, Ing. R. Frederico Ulrich, Apartado 3078, 4471-907, Moreira Maia, Portugal

Tiago Sousa

Instituto Ferdinand Braun, Instituto Leibniz para Tecnología de Alta Frecuencia GmbH, Gustav-Kirchhoff-Strasse 4, 12489, Berlín, Alemania

Paul Kurpas y Joachim Wuerfl

Centro Europeo de Investigación y Tecnología Espacial ESA/ESTEC, Keplerlaan 1, PO Box 299, 2200 AG, Noordwijk ZH, Países Bajos

Andrew Barnes, Francis Garat y Christian Poivey

También puede buscar este autor en PubMed Google Scholar

Hay 6 entidades en este trabajo, este trabajo fue un proyecto creado por un consorcio. Los autores de FBH (PK y JW) fueron los responsables de desarrollar la tecnología GaN detrás de este experimento. El equipo de TI y la Universidade de Aveiro (HM, DMe NC) fueron los responsables de ensamblar el experimento y crear los circuitos necesarios para colocarlos a bordo del satélite. TS (EFACEC) se encargó de fabricar el experimento. AB, FG y CP (ESTEC) se encargaron de especificar las necesidades de este experimento. JS, MP y PG (LIP) se encargaron de interpretar y evaluar los resultados finales de radiación tras el experimento espacial. duración.

Correspondencia a Nuno Borges Carvalho.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Mostardinha, H., Matos, D., Carvalho, NB et al. Evaluación pionera de transistores de GaN en satélites geoestacionarios. Informe científico 12, 12886 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-17179-y

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Recibido: 23 diciembre 2021

Aceptado: 21 de julio de 2022

Publicado: 28 julio 2022

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

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