日前，复旦大学周鹏、马顺利等人报道了在卫星设施上察看到的空间辐射效应，并发现原子级厚度的材料原则上累积的辐射损伤极小。有关研究成就以“Radiation|tolerant atomic|layer|scale RF system forspaceborne communication”为题发表在Nature上。
日前，复旦大学周鹏、马顺利等人报道了在卫星设施上察看到的空间辐射效应，并发现原子级厚度的材料原则上累积的辐射损伤极小。有关研究成就以“Radiation|tolerant atomic|layer|scale RF system forspaceborne communication”为题发表在Nature上。
01 研究背景
伴随航天技术的进步，星载通信和深空探测对低功耗、小尺寸的集成电路需要日益迫切。然而，空间环境中充满了电子、质子、伽马射线等高能粒子，这类粒子会致使传统硅(Si)基电子器件产生电离损伤和位移损伤，紧急缩短卫星寿命并增加高昂的加固和修理本钱。因此，开发具备本质抗辐射特质、高能效且紧凑的新型半导体器件对于深空应用至关要紧。
现在，半导体器件的研究主要存在以下问题：
1、传统硅基器件辐射耐受性达到瓶颈
硅基晶体管受物理厚度限制，很难进一步通过减薄沟道来降低辐射损伤，且其结构容易致使电离产生的缺点电荷从衬底泄漏至沟道，引起器件性能大幅退化。
2、二维系统缺少真实空间环境验证
尽管二维材料(如MoS2)在理论和地面试验中展示出优秀的抗辐射潜力，但此前尚未有研究在真实卫星轨道上对完整的二维射频系统进行长期的在轨性能验证。
02 研究成就
鉴于此，复旦大学周鹏、马顺利等人报道了在卫星设施上察看到的空间辐射效应，并发现原子级厚度的材料原则上累积的辐射损伤极小。 据此，基于4英寸晶圆级单层二维MoS2工艺，达成了一个包括发射机和接收机的原子层晶体管抗辐射射频系统(12|18 GHz)。该系统成功发射至约517公里的低地轨道进行在轨实验。值得注意的是，在轨运行9个月后，传输数据的误码率(BER)维持在10⁻⁸以下，显示出显著的抗辐射能力和长期稳定性。预测该系统在辐射环境更恶劣的地球同步轨道寿命约为271年。这项工作展示了二维电子学在星载应用中的独特前景。
技术策略：
1、分析了原子级厚度材料在物理机制上的抗辐射优势
研究揭示单层MoS₂因原子级厚度使辐射损伤能量减少223倍，量子局域效应阻隔衬底泄漏;经10 Mrad伽马射线照射后，晶体管开关比保持10⁸，阈值电压偏移0.5 V。
2、达成了包括16个单元的时间调制阵列(TMA)射频系统
尽管研究揭示了单层MoS₂因原子级厚度使辐射损伤能量减少223倍，量子局域效应阻隔衬底泄漏;经10 Mrad伽马射线照射后，晶体管开关比保持10⁸，阈值电压偏移0.5 V。
3、完成了二维通信系统的初次在轨验证
"复旦一号"卫星搭载的单层MoS₂通信系统在轨运行9个月，误码率低于10⁻⁸，预测寿命达271年，是硅基系统的100倍，为深空探测提供全新抗辐射电子学策略。
03 研究内容
1.抗辐射通信系统设计
作者分析了原子级厚度材料在物理机制上的抗辐射优势。研究指出，高能粒子引起的半导体损伤分为电离损伤和位移损伤。依据理论推算，伴随半导体功能层厚度的减小，粒子在其内部的穿透距离缩短，发生相互用途的概率和产生的总损伤能量随之大幅减少。 相比于传统的30纳米硅薄膜，厚度仅为0.7纳米的单层MoS2在遭到130|keV高通量质子入射时，其计算出的辐射损伤能量要低223倍。除此之外，二维材料独特的量子局域效应能有效阻隔来自衬底的纵向电流泄漏，从而最小化衬底缺点对沟道的影响。实验验证方面，研究团队在4英寸晶圆上制备了单层MoS2场效应晶体管(FET)，并进行了高达10 Mrad的伽马射线照射测试。TEM图像和拉曼光谱显示，照射前后MoS2的原子结构维持连续且完整，未出现明显损伤。 电学表征进一步证明，即便在极高剂量的辐射下，MoS2晶体管的开关比仍能保持在108的超高水平，阈值电压偏移极小(0.5 V)，这为构建高精度星载通信系统奠定了坚实的物理基础。
图1 | 原子辐射耐受性研究
2.系统达成与测量结果
研究团队达成了包括16个单元的时间调制阵列(TMA)射频系统，集成了巴伦、开关和天线等重点组件。与基于65nm CMOS工艺的硅基开关相比，单层MoS2开关在10 Mrad辐射后的表现优秀：硅基开关的开关比退化了4246倍，而MoS2开关仍能维持10⁸的水平。 这种稳定性直接体目前通信水平上，10 Mrad辐射后的MoS2发射机在1 GHz信号速率下眼图张开度好，具备高信噪比和低误码率，而同等条件的硅基发射机眼图则完全闭合，没办法正常通信。除此之外，该系统在能效和射频特质方面展示出领先地位。因为用了低损耗的TMA构造和原子级薄的沟道，其系统核心功耗仅为每通道49.9 mW，比传统CMOS系统减少了5倍以上。接收机拥有4路径带通滤波结构，达成了12|18 GHz的可调中心频率和6 GHz的超大带宽，其噪声系数低至1.5|3.0 dB。即使经过高剂量辐射，接收机的信噪比和星座图性能依旧保持在极高标准，证明了该二维系统在极端环境下处置复杂调制信号(如QPSK)的卓越能力。
图2 | 抗辐射二维二硫化钼发射机的设计与验证
图3 | 抗辐射二维MoS2接收机的设计与验证
3.空间在轨实验
2024年9月24日，该系统搭载“复旦一号”卫星成功进入约517公里的低地轨道。在轨实验期间，系统实行了完整的图像数据传输任务，将编码后的“复旦校歌”图像通过星载发射机无线传输至星载接收机，再传回地面。监测数据表明，在轨运行9个月后，传输误码率一直低于10⁻⁸，图像解码完整无误，充分验证了系统的功能稳定性和长期靠谱性。通过与硅基系统的对比剖析，在不采取额外硬化手段的状况下，硅基系统在空间环境下的靠谱运行时间预计仅为2年，而单层MoS2通信系统在4年后误码率仍能优于10⁻⁷的工业标准。更让人瞩目的是，预测该系统在辐射更猛烈的地球同步轨道上，寿命可达271年，是先进SOI硅基系统的100倍。 这一突破性进展不只完成了二维通信系统的初次在轨验证，也为人类深空探测提供了全新的抗辐射电子学解决方法。
图4 | 抗辐射二维星载通信系统在轨研究
04 结论与展望
这项研究成功开发并验证了世界上首个原子层尺度的抗辐射星载射频系统。通过借助单层MoS2的原子级厚度和本征物理特质，该系统在极端辐射环境下达成了远超传统硅基器件的寿命、稳定性和能效。
9个月的在轨稳定运行数据证明了二维材料在航天电子范围的实用价值，这标志着星载电子学从传统体材料向原子层尺度跨越迈出了里程碑式的一步。
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