复旦大学Nature重磅成果，无掩膜直写光刻系统助力太空二维电子器件在轨验证！

发布日期：2026-02-13

近日，复旦大学集成芯片与系统全国重点实验室、集成电路与微纳电子创新学院周鹏、马顺利研究团队的新成果登上《Nature》正刊。团队研制的“青鸟”原子层半导体抗辐射射频通信系统，依托“复旦一号”（澜湄未来星）卫星平台，在国际上首次实现基于二维电子器件与系统的在轨验证，开辟了原子层半导体太空电子学领域，标志着人类向构建高可靠、轻量化的太空电子系统迈出关键一步。该成果题为“Radiation-tolerant atomic-layer-scale RF system for spaceborne communication”，值得注意的是，本文是小型台式无掩膜直写光刻系统-MicroWriter ML3助力完成的第八篇Nature正刊工作。

人类正持续拓展太空探索的边界，从火星探索到新一代全球通信网络卫星星座的编织，高性能通信系统始终是太空任务的“关键纽带”。然而，空间环境中存在的高能粒子（如电子、质子、伽马射线）会引发硅基器件的电离损伤与位移损伤，导致卫星寿命缩短，并带来高昂的加固与维护成本。因此，发展具备本征抗辐射特性、高能效、结构紧凑的新型半导体器件，成为深空任务的关键需求。

目前，新型半导体器件的开发面临两大挑战。硅基器件抗辐射性能接近极限，硅晶体管的物理厚度限制使其难以通过进一步减薄沟道来缓解辐射损伤，且缺陷电荷易从衬底泄漏至沟道，造成器件性能显著下降；二维材料系统缺乏在轨验证，虽然二维材料（如MoS₂）在理论及地面实验中表现出优良的抗辐射潜力，但此前尚未有完整二维射频系统在真实卫星轨道上进行长期在轨性能验证的研究。传统解决路径如增加屏蔽层或使用冗余加固电路，虽然有效，却也带来了能耗高、体积大等限制。

面对这些挑战，周鹏-马顺利团队通过卫星设备中观测到了真实的空间辐射效应。团队发现，原子级厚度的二维材料在辐射环境下所积累的辐射损伤极小。基于这一关键发现，团队采用4英寸晶圆级单层MoS₂工艺，构建了一套由原子层晶体管组成的、具备辐射耐受能力的射频通信系统（12–18 GHz），同时集成了发射端和接收端，用于空间通信。该系统搭载卫星进入约517公里的低地轨道，开展在轨实验。结果表现出优异的抗辐射性与长期稳定性。据预测，该系统在地球同步轨道等辐射更强环境中的寿命可达约271年，为二维电子学的星载应用奠定了坚实基础。

本工作中，所有光刻图形化步骤均采用小型台式无掩膜直写光刻系统-MicroWriter ML3完成，具体包含：M0 与 M1 层之间的通孔互连图形化、二硫化钼晶体管栅电极、天线及互连线构成的顶部金属层 M1图形化等，是该成果顺利实现的重要硬件支撑。

小型台式无掩膜直写光刻系统-MicroWriter ML3能够成为周鹏 - 马顺利团队在微纳加工研究中的优选设备，主要得益于其三大核心技术优势：1）样品适配范围广：对样品尺寸无限制，既可支持最大12英寸晶圆加工，也特别适用于二维材料等微小尺寸样品的加工；2）加工重复性优异：可稳定输出一致的加工结果，为实验数据的可靠性与可重复性提供坚实保障；3）加工精度与效率突出：系统最高直写精度可达 0.4 μm，加工速度最高可达 180 mm²/min，在高精度与高速度之间实现出色平衡。凭借上述优势，MicroWriter ML3 高效、稳定、高质量地完成了本研究中 4 英寸晶圆上共计 30 个复杂微纳图案的直写加工任务，为“青鸟”系统相关器件的成功研制提供了关键支撑。

小型台式无掩膜直写光刻系统- MicroWriter ML3

【精彩图文展示】

a. 体相硅晶体管（辐射致失效）与原子级二维二硫化钼晶体管（抗辐射性）的失效 / 耐受机制示意图。

b. 不同入射能量粒子辐照下，单层二维二硫化钼与 30 纳米硅薄膜的辐照损伤能对比。

c. 4 英寸单层二维二硫化钼收发芯片晶圆实物图。比例尺：1 厘米。

d. 单层二维二硫化钼晶体管阵列的光学显微镜图像。比例尺：200 微米。

e. 经 10 兆拉德 γ 射线辐照后的单层二维二硫化钼晶体管局部截面透射电镜图像及对应能谱面扫图。比例尺：上图 20 纳米；下图 50 纳米。

f. 单层二维二硫化钼薄膜经 10 兆拉德 γ 射线辐照前后的拉曼光谱图；其中曲线 1~5 对应辐照后从 d 图二硫化钼薄膜中选取的 5 个测试位点。

g. 单层二维二硫化钼晶体管经 1 千拉德（硅当量）、10 万拉德（硅当量）、1 兆拉德（硅当量）和 10 兆拉德（硅当量）γ 射线辐照前后的转移特性曲线；每条曲线均为 10 个晶体管的测试平均值

研究团队从物理机制角度，清晰阐述了原子级厚度材料的抗辐射特性。高能粒子对半导体器件造成的损伤主要分为电离损伤与位移损伤两类。理论分析表明，随着材料功能层厚度减小，粒子穿透距离缩短，相互作用概率与总损伤能量显著下降。相比于30纳米硅膜，0.7纳米厚单层MoS₂在130 keV质子入射下，损伤能量降低223倍。二维材料的量子局域效应还能有效抑制衬底缺陷对沟道的影响。实验方面，团队在4英寸晶圆上制备了单层MoS₂场效应晶体管，并进行10 Mrad伽马辐照测试。TEM与拉曼光谱显示辐照后材料结构仍完整，电学性能稳定，开关比维持在10⁸，阈值电压偏移小于0.5 V，为高精度星载通信奠定了物理基础。

2024年9月24日，该系统随“复旦一号”卫星进入约517公里低地轨道。在轨期间完成了图像数据传输任务，将“复旦校歌”图像编码后无线传输并成功回传地面。监测数据显示，在轨9个月后误码率仍低于10⁻⁸，图像解码完整无误。对比表明，无额外硬化措施的硅基系统在轨可靠运行时间约2年，而MoS₂系统4年后误码率仍优于10⁻⁷。预测该系统在地球同步轨道寿命可达271年，为先进SOI硅基系统的100倍。此举完成了二维通信系统的首次在轨验证，为深空探测提供了全新的抗辐射电子学途径。

【结论】

本研究成功研制并验证了全球首个原子层尺度的抗辐射星载射频系统，团队从理论和实验两方面证明了原子层厚度的二维材料可极大降低辐射损伤能量，结合其天然的量子限制效应，能有效抑制辐射引起的纵向漏电。进一步表明原子级二维MoS₂通信系统在强辐射空间环境中运行的巨大潜力，为未来二维星载电子学的发展铺平了道路，也为深空探测、高轨卫星等航天任务提供了全新的技术解决方案。而 MicroWriter ML3 凭借其优异的加工性能，成为了新型半导体器件微纳加工的核心助力，其在高精度、高稳定性、高适配性上的表现，也为微纳电子领域的前沿研究提供了重要设备支撑。