美國認(rèn)為，在近地軌道（LEO）上迅速增加的小衛(wèi)星正在擴(kuò)展對(duì)政府和工業(yè)都至關(guān)重要的天基能力。由于隨后不斷增加的需求使近地軌道衛(wèi)星的運(yùn)行受到限制，基于此，美國防高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）在10月7日宣布推出“太空功率轉(zhuǎn)換電子”（SPCE）項(xiàng)目，尋求在惡劣的太空環(huán)境中提高可用功率的效率。
基于太空的功率消耗會(huì)產(chǎn)生熱量，只能通過輻射來卸載。這種類型的熱管理限制了衛(wèi)星可以消耗的最大工作功率。可用功率因負(fù)載點(diǎn)（POL）轉(zhuǎn)換器的低效率而進(jìn)一步減少。POL轉(zhuǎn)換器的主要功能是以明顯低于高壓衛(wèi)星主電源總線的電壓為有效載荷提供電力。這些低電壓應(yīng)用包括執(zhí)行計(jì)算和其他電子功能的機(jī)載微系統(tǒng)。
當(dāng)前的空間POL轉(zhuǎn)換器包括經(jīng)輻射硬化的高壓開關(guān)晶體管和抗輻射的無源和有源電路元件，以便在具有挑戰(zhàn)性的太空條件下生存。這些元件經(jīng)過廣泛的開發(fā)和測試過程以抵御輻射破壞，其性能比為非輻射應(yīng)用（如地面系統(tǒng)）建造的同類產(chǎn)品要好。后者可以利用更快、更先進(jìn)的組件，但輻射硬化過程將太空中的POL功率效率降低到60%，嚴(yán)重限制了衛(wèi)星的能力和電池壽命。
在惡劣的輻射太空環(huán)境中提高功率效率是必要的，以滿足新的、越來越先進(jìn)的任務(wù)能力以及延長持久的近地軌道星座的壽命需求。DARPA的SPCE項(xiàng)目旨在通過開發(fā)高電壓、耐輻射的晶體管和低損耗、高電壓和耐輻射的集成電路技術(shù)來提高天基POL系統(tǒng)的性能。
據(jù)DARPA微系統(tǒng)技術(shù)辦公室（MTO）負(fù)責(zé)SPCE的項(xiàng)目經(jīng)理杰森·吳（Jason Woo）介紹：“隨著低地軌道的擴(kuò)散，60%的效率已經(jīng)不夠好了。SPCE 將利用材料和器件工程的組合，整合不同類型和成分的先進(jìn)材料，或異質(zhì)材料合成和新穎的器件設(shè)計(jì)。這將有助于實(shí)現(xiàn)太空耐輻射功率晶體管，其性能可與地面上最先進(jìn)的寬禁帶半導(dǎo)體功率晶體管相媲美。”
按照杰森·吳的說法，如果成功，SPCE的突破可以延長系統(tǒng)的壽命，并為在惡劣的太空環(huán)境中運(yùn)行的持久近地軌道星座創(chuàng)造新的任務(wù)能力。
SPCE項(xiàng)目由三個(gè)階段組成。為期20個(gè)月的第一階段將針對(duì)耐輻射、高性能、高電壓晶體管的開發(fā)，而第二階段側(cè)重于低損耗集成開發(fā)，第三階段則針對(duì)高效轉(zhuǎn)換電路的演示驗(yàn)證。
更多信息可見下文的廣泛機(jī)構(gòu)公告（BBA）。
“太空功率轉(zhuǎn)換電子”（SPCE）項(xiàng)目廣泛機(jī)構(gòu)公告（BBA）
一、項(xiàng)目背景介紹
負(fù)載點(diǎn)功率轉(zhuǎn)換代表了太空系統(tǒng)的一個(gè)嚴(yán)重瓶頸，特別是對(duì)于激增的近地軌道（LEO）應(yīng)用。在當(dāng)前的太空功率系統(tǒng)中，輻射耐受性是通過將工作電壓降低2倍以上來實(shí)現(xiàn)的，以使作為功率開關(guān)的高壓晶體管有足夠的余量避免單次燒毀（SEB）。因此，太空POL轉(zhuǎn)換器的特點(diǎn)是效率低（< 60 %），嚴(yán)重限制了衛(wèi)星的可用功率、能力和電池壽命。
POL功率轉(zhuǎn)換依靠高壓晶體管作為功率開關(guān)。當(dāng)太空環(huán)境中的高能質(zhì)子/重離子撞擊這些晶體管的高電場區(qū)域時(shí)，會(huì)產(chǎn)生大量的載流子。這將導(dǎo)致高壓和地接地之間的大電流脈沖，有可能導(dǎo)致單一事件燒毀，即開關(guān)因?yàn)?zāi)難性的焦耳熱而失效。為了實(shí)現(xiàn)該項(xiàng)目的目標(biāo)，SPCE將克服下述文中描述的兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)（TC）。SPCE項(xiàng)目將利用寬禁帶和其他新型半導(dǎo)體功率晶體管、無缺陷寬禁帶半導(dǎo)體生長和先進(jìn)的異質(zhì)集成技術(shù)等方面的技術(shù)進(jìn)步來克服這些TC。
二、項(xiàng)目說明
SPCE項(xiàng)目旨在開發(fā)具有高性能的耐輻射高壓晶體管和集成技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)空太空應(yīng)用的緊湊、高轉(zhuǎn)換率的POL轉(zhuǎn)換器。SPCE項(xiàng)目的具體目標(biāo)是：實(shí)現(xiàn)集成的耐輻射高壓晶體管，其性能優(yōu)于最先進(jìn)的（SOTA）寬禁帶半導(dǎo)體（WBGS）高壓器件，用于非輻射環(huán)境，采用這些晶體管演示48V到1V的耐輻射POL轉(zhuǎn)換器，在50A輸出電流下效率超過85%，并實(shí)現(xiàn)功率密度大于500W/in3。
為了實(shí)現(xiàn)SPCE項(xiàng)目的目標(biāo)，參與的研究團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)準(zhǔn)備應(yīng)對(duì)兩個(gè)關(guān)鍵的技術(shù)挑戰(zhàn)（TC）。
技術(shù)挑戰(zhàn)一：實(shí)現(xiàn)高性能高壓晶體管的耐輻射性
SOTA空間POL系統(tǒng)使用離散的、耐輻射的硅輕摻雜漏極MOSFET（LDMOS）晶體管，將整體POL效率限制在<60 %。這是因?yàn)闉榱吮苊釹EB，這些LDMOS晶體管的工作電壓Vmax大大低于器件的擊穿電壓。這種降額導(dǎo)致性能下降，反映在低劣的晶體管性能系數(shù)（FOM = 1/(RonQG)）。對(duì)于太空合格的100 V LDMOS，F(xiàn)OM比非輻射環(huán)境的LDMOS晶體管差3倍以上。這導(dǎo)致了開關(guān)功率損失的顯著增加，并因此降低了POL轉(zhuǎn)換效率。最近的寬禁帶半導(dǎo)體，如GaN和SiC，已被調(diào)查用于太空應(yīng)用。憑借其更大的擊穿電壓和更高的載流子移動(dòng)率，WBGS晶體管有望比LDMOS的FOM好10倍至100倍。然而，眾所周知，WBGS晶體管在輻射環(huán)境中容易發(fā)生SEB，并需要大幅提高（高達(dá)4倍）的電壓降額，這限制了它們在太空功率轉(zhuǎn)換器中的性能。
技術(shù)挑戰(zhàn)二：實(shí)現(xiàn)耐輻射的低損耗、高電壓集成電路技術(shù)
最常見的地面單片集成功率電子技術(shù)，即雙極-CMOS-DMOS（BCD），由于老節(jié)點(diǎn)CMOS的輻射可靠性和性能較差，以及降額后DMOS能力下降，因此不適合要求較高的太空任務(wù)。此外，SOTA太空合格的高壓晶體管由于降壓而具有較大的結(jié)點(diǎn)尺寸和足跡（幾十平方納米），妨礙了與先進(jìn)微電子的單片集成。因此，SOTA太空POL系統(tǒng)是基于LDMOS器件和無源元件的分立實(shí)現(xiàn)，這導(dǎo)致POL尺寸大（功率密度<50 W/in3），電氣連接長且有損耗，在高輸出電流條件下，由于布線的功率損失，導(dǎo)致POL效率下降多達(dá)五個(gè)百分點(diǎn)。
三、項(xiàng)目結(jié)構(gòu)
SPCE將是一個(gè)為期50個(gè)月的項(xiàng)目，包括兩個(gè)主要技術(shù)領(lǐng)域（TA）。
技術(shù)領(lǐng)域一：耐輻射的高性能高壓晶體管和高效POL直流-直流轉(zhuǎn)換器
TA1將分三個(gè)階段進(jìn)行，第一階段（基礎(chǔ)）20個(gè)月，第二階段（可選）18個(gè)月，第三階段（可選）12個(gè)月。在第一階段和第二階段結(jié)束時(shí)，根據(jù)技術(shù)進(jìn)展和資金供應(yīng)情況，政府可自行決定是否行使期權(quán)。預(yù)計(jì)隨著選擇權(quán)的行使，研究團(tuán)隊(duì)的數(shù)量可能會(huì)減少，從而進(jìn)入該項(xiàng)目的第二和第三階段。
技術(shù)領(lǐng)域二：基礎(chǔ)設(shè)備探索
TA2將分兩個(gè)階段進(jìn)行，第一階段為20個(gè)月（基礎(chǔ)），第二階段為18個(gè)月（可選）。在第一階段結(jié)束時(shí)，根據(jù)技術(shù)進(jìn)展和資金供應(yīng)情況，政府可自行決定是否行使期權(quán)。預(yù)計(jì)隨著選擇權(quán)的行使，研究團(tuán)隊(duì)的數(shù)量可能會(huì)減少，從而進(jìn)入該項(xiàng)目的第二階段。
研究團(tuán)隊(duì)將向政府提供原型設(shè)備/電路。它們的性能和輻射耐受性將由政府選定的獨(dú)立驗(yàn)證和核查（IV&V）組織進(jìn)行驗(yàn)證。
一份提案可以針對(duì)TA1（限制性研究）或TA2（基礎(chǔ)研究），但一份提案不能同時(shí)針對(duì)兩個(gè)TA。希望向一個(gè)以上的TA提交的提案者必須為每個(gè)技術(shù)領(lǐng)域提交單獨(dú)的、獨(dú)立的、完整的提案包。如果兩個(gè)TA都被授予的話，在工作中會(huì)有重復(fù)的任務(wù)，應(yīng)該明確地指出來。
四、項(xiàng)目技術(shù)領(lǐng)域
SPCE項(xiàng)目BAA正在征集兩個(gè)技術(shù)領(lǐng)域（TA）的研究提案。
技術(shù)領(lǐng)域一：耐輻射的高性能高壓晶體管和高效POL直流-直流轉(zhuǎn)換器
TA1旨在開發(fā)一種器件技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)耐輻射的高效POL直流-直流轉(zhuǎn)換器。為了實(shí)現(xiàn)該項(xiàng)目的目標(biāo)，預(yù)期研究團(tuán)隊(duì)將實(shí)現(xiàn)耐輻射高壓晶體管，其開關(guān)性能優(yōu)于非輻射環(huán)境下的SOTA高壓晶體管，以及實(shí)現(xiàn)高效、高能量密度POL轉(zhuǎn)換器所需的集成技術(shù)。
每個(gè)項(xiàng)目階段的目標(biāo)是：
第一階段（基礎(chǔ)）——第一階段的目標(biāo)是驗(yàn)證器件方法，以實(shí)現(xiàn)耐輻射高壓晶體管，其開關(guān)性能優(yōu)于非輻射環(huán)境下的SOTA高壓器件。
第二階段（可選）——第二階段的目標(biāo)是展示器件集成技術(shù)，使緊湊的耐輻射POL轉(zhuǎn)換器在48V到1V的轉(zhuǎn)換中效率超過75%，輸出電流為50A，功率密度大于250W/in3。第二階段的另一個(gè)關(guān)鍵部分是進(jìn)一步開發(fā)和優(yōu)化在第一階段實(shí)現(xiàn)的器件，以改善器件的特性和性能。
第三階段（可選）——第三階段的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的器件優(yōu)化，并展示耐輻射的POL轉(zhuǎn)換器，其效率大于85%，適用于48V到1V的轉(zhuǎn)換，50A的輸出電流，功率密度大于500W/in3。
提案者應(yīng)提供他們實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)的方法。特別是他們應(yīng)該描述他們獨(dú)特的方法來克服上文中介紹的兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)（TC）。
技術(shù)挑戰(zhàn)一：實(shí)現(xiàn)高性能、耐輻射的高壓晶體管。潛在的方法可能涉及材料或器件工程的組合，以實(shí)現(xiàn)耐輻射的高壓晶體管，其性能可與SOTA地面WBGS電源開關(guān)競爭或比其更好。這可能包括低缺陷的WBGS高壓晶體管，它需要最小的電壓降額以避免SEB或先進(jìn)的高壓晶體管結(jié)構(gòu)，如超級(jí)結(jié)引腳。
技術(shù)挑戰(zhàn)二：實(shí)現(xiàn)低損耗、耐輻射的高壓集成電路技術(shù)。一類潛在的解決方案可能涉及半導(dǎo)體層的轉(zhuǎn)移，以實(shí)現(xiàn)耐輻射的高性能寬禁帶器件的三維異質(zhì)集成，并具有內(nèi)在的高輻射耐受性的先進(jìn)節(jié)點(diǎn)VLSI柵極驅(qū)動(dòng)電路和緊湊的低損耗被動(dòng)裝置。另一種方法是單片集成的耐輻射WBGS-漏極LDMOS晶體管，通過異質(zhì)選擇性生長將先進(jìn)的半導(dǎo)體在結(jié)點(diǎn)水平上納入按比例的VLSI CMOS中來實(shí)現(xiàn)。
投標(biāo)人不限于上述兩種技術(shù)挑戰(zhàn)中描述的潛在方法，歡迎提出任何創(chuàng)新方法來實(shí)現(xiàn)計(jì)劃目標(biāo)。
TA1的投標(biāo)書應(yīng)簡明扼要地討論所建議的技術(shù)方法，包括定量的初步分析，如何滿足耐輻射高壓晶體管的項(xiàng)目性能指標(biāo)。此外，提案還需要提供關(guān)于低損耗集成和電路開發(fā)的類似簡明討論，以實(shí)現(xiàn)效率大于85%、功率密度大于500W/in3的耐輻射POL轉(zhuǎn)換器演示。
技術(shù)領(lǐng)域二：基礎(chǔ)器件的探索
TA2側(cè)重于創(chuàng)新的高風(fēng)險(xiǎn)/高回報(bào)的耐輻射高壓晶體管的基礎(chǔ)研究，并不涉及在項(xiàng)目結(jié)束時(shí)設(shè)計(jì)、集成和演示一個(gè)高效的POL轉(zhuǎn)換器。潛在的課題包括與先進(jìn)節(jié)點(diǎn)VLSI后端集成相適應(yīng)的新型寬禁帶半導(dǎo)體高壓晶體管，或新型WBGS高壓晶體管設(shè)計(jì)，如超晶格超結(jié)引腳。TA2的研究團(tuán)隊(duì)將探索這些新的材料/概念，以實(shí)現(xiàn)耐輻射的高壓器件，并與先進(jìn)節(jié)點(diǎn)VLSI緊密結(jié)合，實(shí)現(xiàn)突破性的性能。
每個(gè)階段的目標(biāo)是：
第一階段（基礎(chǔ)） ——第一階段的目標(biāo)是通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證器件方法，實(shí)現(xiàn)耐輻射的高壓晶體管，其開關(guān)性能比TA1第一階段的器件好2.5倍。
第二階段（可選）——第二階段的目標(biāo)是進(jìn)一步優(yōu)化所提出的耐輻射高性能晶體管的設(shè)計(jì)和制造，并通過實(shí)驗(yàn)證明晶體管TA2第二階段的FOM指標(biāo)。
針對(duì)TA2的提案應(yīng)簡明扼要地討論：(1)實(shí)現(xiàn)擬議的耐輻射高壓晶體管的技術(shù)方法和原理，包括初步分析；(2)與先進(jìn)的微電子制造平臺(tái)兼容的潛在關(guān)鍵工藝和工藝集成，以制造這些晶體管；(3)達(dá)到兩個(gè)項(xiàng)目階段的性能指標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)緩解路徑。
