可以上太空！基于铁电κ-Ga₂O₃的抗辐照感内储备池计算系统 | NSR

近年来，以SpaceX为代表的商业航天产业快速发展，深空探测、星座通信和自主航天系统正加速迈向规模化部署。然而，极端空间环境始终是制约航天电子技术发展的核心挑战之一。航天器在轨运行过程中，阳照面与阴影面之间的温差可达数百摄氏度，同时长期暴露于宇宙射线、高能质子及重离子辐照环境中，对星载电子器件的稳定性、可靠性和寿命提出了极其严苛的要求。传统抗辐射电子系统通常依赖三模冗余、加固封装和屏蔽设计等策略保障可靠运行，但往往需要付出面积开销大、功耗高和系统复杂度增加等代价。与此同时，随着人工智能技术向星载自主感知与决策方向发展，AI计算带来的高能耗问题也成为限制其在航天平台部署的重要瓶颈。

图1 面向天体活动分析的感内储备池计算系统概念图

研究团队首先实现了高质量铁电κ相氧化镓晶体薄膜的制备与调控。作为典型的超宽禁带半导体，Ga₂O₃对深紫外日盲波段（波长<280 nm）具有本征响应特性，是理想的深紫外日盲探测材料。更重要的是，研究发现κ-Ga₂O₃兼具稳定铁电极化特性。在较大外加电场驱动下，可通过原子层滑移机制实现极化翻转，从而获得非易失、多能级信息存储能力；而在较低电场条件下，则表现出易失性电导调制特征，可用于实现储备池计算中的时序信息映射与动态状态演化。基于这一独特物理机制，单一κ-Ga₂O₃材料体系可同时承担深紫外传感（探测光信号）、物理储备池（利用短时记忆效应将时间序列映射到高维空间）和输出层突触（利用长时记忆效应完成分类）三重功能，实现感知、存储与计算的一体化融合。

图2 κ-Ga₂O₃基铁电高电子迁移率晶体管及其材料表征

在κ-Ga₂O₃高质量选区外延基础上，研究团队研制出一种κ-Ga₂O₃基铁电高电子迁移率晶体管(FeHEMT)。器件在−270°C到210°C，跨越近500°C的超宽温区内保持稳定的场效应调控特性，展现出优异的温度适应能力。为评估其抗辐射性能，研究人员进一步采用¹⁸¹Ta重离子进行辐照测试，平均注量率达10⁴ cm^-2·s^-1，远高于典型空间辐照背景水平。实验结果表明，经过重离子辐照后，器件仍保持良好的晶体管工作特性，转移曲线仅出现轻微漂移，漏电流维持在相同数量级，电子迁移率下降幅度不足11%，展现出优异的辐射耐受能力。

图3 (a)不同温度下器件转移曲线及(b)重离子辐照前后迁移率变化

在器件验证基础上，研究团队进一步构建了基于κ-Ga₂O₃的感内储备池计算系统（κ-ISRC），用于天体活动光变曲线的智能识别。研究团队采用光学引力透镜实验（OGLE）数据集中四类典型天体活动样本对κ-ISRC系统进行了模拟测试。结果显示，κ-ISRC系统对天体事件的分类准确率达到95%，并且训练收敛速度显著优于传统无储备池神经网络模型。即使在引入50%随机噪声的极端条件下，系统识别准确率仍维持在90%以上，表现出优异的鲁棒性和环境适应能力。

该研究表明，铁电κ-Ga₂O₃不仅具备超宽禁带半导体优异的环境稳定性和抗辐射特性，还能够通过材料本征铁电效应实现感知、存储与计算功能的深度融合，为未来极端环境智能电子、航天自主计算以及边缘人工智能芯片的发展提供了新的材料体系和器件架构。

相关成果近期发表于《国家科学评论》（National Science Review, NSR）。南京大学博士生许轲、裴梦皎、关湛南为共同第一作者，叶建东、万昌锦、汪涵教授为通信作者，南京大学为第一完成单位。该工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金委等项目资助。

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