原子层半导体通信系统大幅提升人造卫星多项性能

来源：科技日报

冯妍 科技日报记者 王春

通信系统对人造卫星来说至关重要，但其平均寿命仅有数年。这是因为太空充满着宇宙射线的“枪林弹雨”，会造成通信系统使用的半导体电子器件性能损伤。但复旦大学的周鹏、马顺利团队研发的“青鸟”原子层半导体抗辐射射频通信系统（以下简称“青鸟”系统），不仅将卫星通信系统的理论在轨寿命延长到271年，也把能耗降低到传统方案的五分之一，重量更是“瘦身”到原来的十分之一左右，并有望将人造卫星的使用年限由3年左右提升至20—30年。

近期，“青鸟”系统依托“复旦一号”卫星平台进入太空，在国际上首次实现了二维电子器件与系统的“超长寿命”“超低功耗”实地在轨验证。北京时间1月29日凌晨，国际顶尖学术期刊《自然》在线发表了该成果。

提升宇宙空间竞争力

“传统的半导体器件想要在太空中正常使用，要么‘加人’，要么‘穿衣服’。”复旦大学集成电路与微纳电子创新学院副院长周鹏教授形象地解释，“‘加人’就是增加半导体的部件，例如把原先的一个部件增加到十个，即使一个坏了，还有九个可以继续工作。‘穿衣服’就是给半导体加一个金属材质的保护壳，将宇宙射线的粒子尽可能挡在外面。”但无论“加人”还是“穿衣服”，都未能提升器件本身的抗辐射性能，不仅“治标不治本”，还会大幅增加重量、体积，为航天卫星“寸土寸金”且极其有限的载荷空间带来极大负担。

“青鸟”系统采用的原子层半导体巧妙地解决了这个问题。所谓原子层半导体，指的是将半导体原子在二维平面上进行排布，形成只有一个或几个原子厚度的单层膜。与硅这种传统的三维体相半导体不同，当宇宙射线的粒子射向这层膜时，就像光穿过一层超薄的玻璃，几乎不会影响到这层膜本身。这层只有0.68纳米厚度的膜不仅本身重量超轻，也无需增加备份部件或是厚重的防护壳，还具有高度节能的特性，为常常依赖太阳能或有限星载电池的太空任务提供更多的能源保障。

无论在地面上做多少理论验证，都无法完全模拟真实太空中的复杂辐射场。复旦大学集成电路与微纳电子创新学院副教授马顺利介绍，通过“复旦一号”，“青鸟”系统在距地球约517公里的低地轨道上，通过了现实考验，揭示了该系统在真实宇宙辐射环境下的长期工作稳定性与可靠性。“在轨运行9个月后，传输数据的错误率仍低于一亿分之一。”马顺利说。

该技术能够极大提升太空数据的处理效率。“未来，我们考虑把相关技术部署到太空中，进行图像处理等方面的实时计算。这样就不需要将数据传送回地面。”周鹏说，“青鸟”系统验证的原子层半导体的抗辐射能力，能够确保卫星上的电子系统乃至整颗卫星运行可控、稳定，为深空探测、高轨卫星、星际通信、太空计算等前沿空间任务奠定了独特的竞争力。

所有制造环节完全自研

“青鸟”系统从设计到制造，团队克服重重困难，实现所有环节完全自研。“这项成果花了我们约五年的时间，仅等待卫星发射的时间窗口就用了一年左右。”马顺利说。他介绍，从对材料的选择开始，到后面的制作元器件、电路设计、联合调试……全由团队亲力亲为，仅一轮实验走下来就得半年。

团队的攻坚克难同时填补了多项空白。“例如，我们采用了原子层半导体材料来制作元器件，却没有相关的成熟设计工具，所以自己开发了一套工具。目前，我们是国内唯一能够进行相关设计的团队。”

马顺利介绍，该成果未来有望产业化。“除了将抗辐射的核心成果产业化，我们已经建立起来的制造链条也可以与产业界对接。”周鹏则介绍，“青鸟”系统的工艺设计与现有产能完全兼容，可以直接投产，因此量产并非难事，且后续成本还能进一步降低。

除了太空，在地面的高辐射环境中，原子层半导体技术也大有用武之地。“例如，核工业也是高辐射场景，人们希望用机器人来承担相关工作，原子层半导体就能够助其胜任。”周鹏说。