通信系統對人造衛星來說至關重要，但其平均壽命僅有數年。這是因為太空充滿著宇宙射線的“槍林彈雨”，會造成通信系統使用的半導體電子器件性能損傷。但復旦大學的周鵬、馬順利團隊研發的“青鳥”原子層半導體抗輻射射頻通信系統（以下簡稱“青鳥”系統），不僅將衛星通信系統的理論在軌壽命延長到271年，也把能耗降低到傳統方案的五分之一，重量更是“瘦身”到原來的十分之一左右，并有望將人造衛星的使用年限由3年左右提升至20—30年。

近期，“青鳥”系統依托“復旦一號”衛星平臺進入太空，在國際上首次實現了二維電子器件與系統的“超長壽命”“超低功耗”實地在軌驗證。北京時間1月29日凌晨，國際頂尖學術期刊《自然》在線發表了該成果。

提升宇宙空間競爭力

“傳統的半導體器件想要在太空中正常使用，要么‘加人’，要么‘穿衣服’。”復旦大學集成電路與微納電子創新學院副院長周鵬教授形象地解釋，“‘加人’就是增加半導體的部件，例如把原先的一個部件增加到十個，即使一個壞了，還有九個可以繼續工作。‘穿衣服’就是給半導體加一個金屬材質的保護殼，將宇宙射線的粒子盡可能擋在外面。”但無論“加人”還是“穿衣服”，都未能提升器件本身的抗輻射性能，不僅“治標不治本”，還會大幅增加重量、體積，為航天衛星“寸土寸金”且極其有限的載荷空間帶來極大負擔。

“青鳥”系統采用的原子層半導體巧妙地解決了這個問題。所謂原子層半導體，指的是將半導體原子在二維平面上進行排布，形成只有一個或幾個原子厚度的單層膜。與硅這種傳統的三維體相半導體不同，當宇宙射線的粒子射向這層膜時，就像光穿過一層超薄的玻璃，幾乎不會影響到這層膜本身。這層只有0.68納米厚度的膜不僅本身重量超輕，也無需增加備份部件或是厚重的防護殼，還具有高度節能的特性，為常常依賴太陽能或有限星載電池的太空任務提供更多的能源保障。

無論在地面上做多少理論驗證，都無法完全模擬真實太空中的復雜輻射場。復旦大學集成電路與微納電子創新學院副教授馬順利介紹，通過“復旦一號”，“青鳥”系統在距地球約517公里的低地軌道上，通過了現實考驗，揭示了該系統在真實宇宙輻射環境下的長期工作穩定性與可靠性。“在軌運行9個月后，傳輸數據的錯誤率仍低于一億分之一。”馬順利說。

該技術能夠極大提升太空數據的處理效率。“未來，我們考慮把相關技術部署到太空中，進行圖像處理等方面的實時計算。這樣就不需要將數據傳送回地面。”周鵬說，“青鳥”系統驗證的原子層半導體的抗輻射能力，能夠確保衛星上的電子系統乃至整顆衛星運行可控、穩定，為深空探測、高軌衛星、星際通信、太空計算等前沿空間任務奠定了獨特的競爭力。

所有制造環節完全自研

“青鳥”系統從設計到制造，團隊克服重重困難，實現所有環節完全自研。“這項成果花了我們約五年的時間，僅等待衛星發射的時間窗口就用了一年左右。”馬順利說。他介紹，從對材料的選擇開始，到后面的制作元器件、電路設計、聯合調試……全由團隊親力親為，僅一輪實驗走下來就得半年。

團隊的攻堅克難同時填補了多項空白。“例如，我們采用了原子層半導體材料來制作元器件，卻沒有相關的成熟設計工具，所以自己開發了一套工具。目前，我們是國內唯一能夠進行相關設計的團隊。”

馬順利介紹，該成果未來有望產業化。“除了將抗輻射的核心成果產業化，我們已經建立起來的制造鏈條也可以與產業界對接。”周鵬則介紹，“青鳥”系統的工藝設計與現有產能完全兼容，可以直接投產，因此量產并非難事，且后續成本還能進一步降低。

除了太空，在地面的高輻射環境中，原子層半導體技術也大有用武之地。“例如，核工業也是高輻射場景，人們希望用機器人來承擔相關工作，原子層半導體就能夠助其勝任。”周鵬說。