美國航空航天局探索氮化鎵晶體在空間中的多種應用

美國航空航天局（NASA）戈達德太空飛行中心的兩個科學家和工程師團隊正在研究如何利用氮化鎵（GaN）加強空間探索。（1）工程師Jean-Marie Lauenstein和科學家Elizabeth MacDonald正在研究GaN高電子遷移率晶體管（HEMT）如何用於地球磁球層與電離層間耦合的研究，這是太陽物理學領域的一個關鍵問題。（2）Stanley Hunter和Georgia de Nolfo正在研究GaN材料在固態中微子探測器上的應用，該探測器與科學和國土安全息息相關。

GaN優點

GaN是一種在20世紀80年代首次發現的晶體型半導體化合物，目前用於消費電子產品，如DVD機中的激光二極體。在其眾多屬性中，GaN表現出較小的電阻，因此僅有一小部分功率作為熱量而損耗。GaN的電流承載能力是硅器件的10倍，支持更小，更快和更高效的器件。此外，它耐受溫度範圍更寬、抗輻射，並且經試驗證實擅長檢測高能粒子。

GaN晶體管抗輻射性能評估

GaN材料可用於由氮化鎵晶體管組成的電子束加速器，這種加速器用於將地球保護性磁球層中的特定磁力線映射到地球電離層中極光所發生印記，有助於顯示近地空間兩個區域是如何連接。

GaN晶體管在2010年上市，但尚未進入空間科學的儀器，儘管它們具有減小儀器尺寸，重量和功耗的潛力。Lauenstein說，這是有原因的。儘管GaN具備抵抗空間中許多類型輻射損傷的能力，但NASA和美國軍方都沒有建立標準來表徵這些晶體管器件在暴露於空間應用中極端輻射時的性能。當被銀河系宇宙射線或其他高能粒子撞擊時，電子設備可能會遇到災難性或短暫的單粒子翻轉。Lauenstein說：「我們有硅器件的相關標準，我們不知道硅晶體管的方法是否適用於氮化鎵晶體管。對於硅器件，我們可以評估失效的閾值。」

Lauenstein和MacDonald將與拉斯阿爾莫斯國家實驗室、器件製造商、NASA電子零件和封裝分部合作來制定標準，確保GaN型器件能夠承受銀河系宇宙射線和其他輻射源所產生的潛在有害顆粒的影響。MacDonald說「團隊對輻射耐受性的研究有助於我們了解如何在任務的壽命內在惡劣的太空環境中駕駛這些加速器。」Lauenstein認為，這些標準也將有益於其他科學學科。「對於該技術，我們需要一條前進的道路，這為其他人打開了大門，將這項技術融入他們自己的任務中。」

GaN在固態中微子探測器上的應用

對於de Nolfo和Hunter來說，GaN為製造探測器和成像中微子提供了一種潛在的解決方案，這些中微子壽命短暫，且通常在大約15分鐘後消失。大氣中的宇宙射線產生的中微子可以增加地球的輻射帶，當它們衰變時，可能會干擾衛星電子設備。研究人員發現GaN可以構成高靈敏度中微子探測器的基礎。de Nolfo說。「對於我們而言，GaN晶體可能會改變遊戲規則，」

Hunter和de Nolfo將GaN晶體定位在儀器內。當中微子進入晶體時，它們散射出鎵和氮原子，並在此過程中激發其他原子，然後產生閃光，告知引發反應的中微子的位置。附著在晶體上的硅光電倍增管將閃光轉換成電脈衝，由感測器件進行分析。

Hunter說道「光電子行業對GaN已經有了很好的理解，但我認為我們正在推動這一應用的發展」，並補充說，這個概念的美妙之處在於它不包含任何活動部件，使用極少的電量，並在真空中操作。他補充說，如果有效，該儀器將對不同的空間科學學科以及軍方檢測核材料帶來益處。

圖片為氮化鎵盤和光電倍增管陣列，可為短壽命中微子的探測器製造和成像提供潛在解決方案。（圖片來源：NASA/W.Hrybyk）

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