【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】復(fù)旦大學(xué)集成芯片與系統(tǒng)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室集成電路與微納電子創(chuàng)新學(xué)院周鵬、馬順利研究團(tuán)隊(duì)研制“青鳥”原子層半導(dǎo)體抗輻射射頻通信系統(tǒng)，依托“復(fù)旦一號(hào)”(瀾湄未來星)衛(wèi)星平臺(tái)，在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)基于二維電子器件與系統(tǒng)的在軌驗(yàn)證，開辟了原子層半導(dǎo)體太空電子學(xué)領(lǐng)域標(biāo)志著人類向構(gòu)建高可靠、輕量化太空電子系統(tǒng)邁出關(guān)鍵一步。相關(guān)成果于北京時(shí)間1月29日凌晨發(fā)表于《自然》（Nature）。
 

　　人類正不斷刷新太空探索的邊界，從火星探索到新一代全球通信網(wǎng)絡(luò)衛(wèi)星星座的編織，高性能通信系統(tǒng)始終是太空任務(wù)的“關(guān)鍵紐帶”。然而，在太空中，高能粒子等空間輻射無處不在，極易引發(fā)硅基電子器件性能退化，甚至導(dǎo)致災(zāi)難性故障，這嚴(yán)重威脅著航天器的在軌壽命。
 

　　如何才能增強(qiáng)電子器件的抗輻射能力，讓通信系統(tǒng)壽命更長(zhǎng)？當(dāng)前主流的抗輻射方案，是增加屏蔽層或采用冗余加固電路，這雖能提升可靠性，卻也付出了體積增大、重量上升、功耗攀升等代價(jià)，與未來航天系統(tǒng)“輕量化、智能化、低成本”的發(fā)展目標(biāo)背道而馳。
 

　　面對(duì)這一挑戰(zhàn)，周鵬-馬順利團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新電子通信系統(tǒng)，提出全新的技術(shù)路徑。“加強(qiáng)化學(xué)鍵強(qiáng)度、增加冗余等傳統(tǒng)抗輻射方案，都是在進(jìn)行硬性對(duì)抗。而我們秉持‘它強(qiáng)由它強(qiáng)，明月照大江’的理念，讓輻射粒子‘穿堂而過’、不做停留，好比現(xiàn)實(shí)世界里的玻璃對(duì)于可見光，二者和諧共處，不帶來傷害。”周鵬解釋道。
 

　　現(xiàn)在通信系統(tǒng)所使用的芯片多由硅材料制作，硅片厚度往往在幾百微米，一些薄層硅至少也有幾十納米；而二維半導(dǎo)體材料是原子級(jí)別，厚度不到1納米。團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，原子層級(jí)薄的二維半導(dǎo)體材料會(huì)積累最小的輻射誘導(dǎo)損傷，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)空間輻射免疫。即便高能粒子偶爾造成個(gè)別原子鍵的破壞，產(chǎn)生微小缺陷，但對(duì)于本身缺陷密度就相對(duì)較高的新型半導(dǎo)體材料而言，這種額外損傷對(duì)其整體電學(xué)性能影響微乎其微。
 

　　團(tuán)隊(duì)專門對(duì)原子層半導(dǎo)體材料及器件進(jìn)行了地面模擬輻照實(shí)驗(yàn)，采用的輻射劑量達(dá)到10兆拉德，這也是國(guó)內(nèi)目前能達(dá)到的最高劑量水平之一。結(jié)果顯示，器件性能依然保持穩(wěn)定。但地面實(shí)驗(yàn)的成功只是第一步。長(zhǎng)期以來，二維電子系統(tǒng)的空間應(yīng)用缺乏在軌數(shù)據(jù)支撐，制約了其從實(shí)驗(yàn)室走向工程實(shí)際。
 

　　歷經(jīng)五年多探索，團(tuán)隊(duì)在材料、器件、搭載衛(wèi)星等多點(diǎn)協(xié)同攻關(guān)，2022年獲得將芯片搭載“復(fù)旦一號(hào)（瀾湄未來星）”衛(wèi)星平臺(tái)的機(jī)會(huì)，隨后展開制備通信系統(tǒng)、將芯片與衛(wèi)星平臺(tái)對(duì)接的復(fù)雜系統(tǒng)工程?；谠訉蛹?jí)半導(dǎo)體材料，團(tuán)隊(duì)制備了4英寸基于單層二硫化鉬(MoS2)的抗輻射集成射頻(12~18 GHz)通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)被命名為“青鳥”，能夠應(yīng)用于星載通信。
 

研制“青鳥”(QingNiao)原子層半導(dǎo)體抗輻射射頻通信系統(tǒng)
 

　　2024年9月24日，“青鳥”通信系統(tǒng)搭載衛(wèi)星成功發(fā)射到距地球約517公里的低地球軌道(LEO)。團(tuán)隊(duì)將“復(fù)旦大學(xué)校歌”的原始手稿照片存入“青鳥”系統(tǒng)的存儲(chǔ)器中，并完成了以“復(fù)旦大學(xué)校歌”為信號(hào)的太空星內(nèi)通信傳輸，最后經(jīng)衛(wèi)星天線發(fā)射并返回地面站解碼后，“復(fù)旦大學(xué)校歌”信號(hào)復(fù)原準(zhǔn)確無誤。
 
 

　　開辟了“原子層半導(dǎo)體太空電子學(xué)”的創(chuàng)新領(lǐng)域
 

　　系統(tǒng)在軌運(yùn)行9個(gè)月后，其傳輸數(shù)據(jù)的誤碼率仍低于10-8，展現(xiàn)出優(yōu)異的抗輻射性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性。即使在輻射環(huán)境更為惡劣的地球同步軌道(GEO)上，該二維星載通信系統(tǒng)的理論在軌壽命預(yù)計(jì)可達(dá)271年，較傳統(tǒng)硅基系統(tǒng)提升兩個(gè)數(shù)量級(jí)。與此同時(shí)，系統(tǒng)發(fā)射機(jī)-接收機(jī)鏈路的功耗不足傳統(tǒng)硅基射頻系統(tǒng)的五分之一，確保了在嚴(yán)苛功率預(yù)算下仍能維持高性能通信。“超長(zhǎng)壽命”與“超低功耗”的雙重優(yōu)勢(shì)，為二維電子系統(tǒng)在深空探測(cè)、高軌衛(wèi)星等空間任務(wù)中帶來了獨(dú)特競(jìng)爭(zhēng)力。
 

　　“在航天領(lǐng)域，可靠性和功耗往往比極致的小型化更重要。”周鵬指出，該系統(tǒng)在長(zhǎng)壽命與低功耗方面的天然優(yōu)勢(shì)，使其在規(guī)模化應(yīng)用后，全生命周期成本將顯著低于傳統(tǒng)抗輻射方案，“是一個(gè)價(jià)值可達(dá)數(shù)十億甚至百億美元級(jí)別的潛在市場(chǎng)”。
 

　　當(dāng)前，我國(guó)航天強(qiáng)國(guó)建設(shè)與商業(yè)航天發(fā)展進(jìn)入快車道，突破空間電子技術(shù)瓶頸已成為國(guó)家戰(zhàn)略科技力量的重要組成部分。新一代抗輻射電子系統(tǒng)，不僅有望支撐下一代衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)、深空探測(cè)等重大工程，也將為我國(guó)在新一代空間信息基礎(chǔ)設(shè)施中贏得先機(jī)。

 

　　復(fù)旦大學(xué)集成芯片與系統(tǒng)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、集成電路與微納電子創(chuàng)新學(xué)院馬順利副教授和周鵬教授為論文通訊作者，博士后朱立遠(yuǎn)為論文第一作者。復(fù)旦大學(xué)現(xiàn)代物理研究所楊洋副教授團(tuán)隊(duì)在載荷設(shè)計(jì)方面提供了重要技術(shù)支持，并高效協(xié)調(diào)落實(shí)了地面輻照實(shí)驗(yàn)所需的測(cè)試條件。研究工作依托復(fù)旦大學(xué)“復(fù)旦一號(hào)(瀾湄未來星)”衛(wèi)星平臺(tái)開展，得到了科技部、教育部、國(guó)家自然科學(xué)基金委、上海市科委、科學(xué)探索獎(jiǎng)等項(xiàng)目的資助，以及教育部創(chuàng)新平臺(tái)的支持。