芯耀
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化合物半导体凭借其优于硅的性能，在市场应用中取得了显著优势。然而，对于宽带隙和超宽带隙半导体等材料而言，体缺陷密度会限制系统的性能和可靠性，进而减缓或限制其市场推广速度。
例如，宽带隙和超宽带隙半导体材料如氮化镓（GaN）、碳化硅（SiC）、氮化铝（AlN）和金刚石就存在这种问题。对于这些材料而言，高水平的体缺陷会严重影响功率性能以及晶体质量，而晶体质量对于高相干量子应用至关重要。碳化硅和氮化镓在功率射频和功率电子市场中显然发挥着重要作用，但晶体质量、可靠性和良率仍然是持续存在的挑战，尤其是在极高功率密度和电压应用中。
晶体质量持续提升，尤其是在外延层和二维材料开发方面，进展仍在继续。但目前仍无法可靠地生长出缺陷率与硅相当的无机晶体锭。这阻碍了其市场应用。
能否在太空中找到制造下一代可靠、高质量半导体晶体的答案？
01、Space Forge 的方法
在 Space Forge，我们采取了一种全新的方法来寻找可靠的、高质量的半导体晶体，我们提出了这样一个问题：如果有一种方法可以生产出比目前可用的产品质量至少高出两到三个数量级的 CVD 种子晶片，那会怎样？
对此问题的一个有希望的答案在于大量但分散的证据，这些证据表明，低地球轨道（LEO）及更远轨道上的环境条件对晶体生长质量具有可靠的积极影响。这些条件大致包括：微重力、极低温度和高真空。在这三者中，微重力是一个驱动因素——研究表明，微重力能够显著降低轨道上气相结晶过程中的对流，从而减少成核点。低地球轨道上的高真空也有助于无机晶体的生长，确保了极低的氮含量。在典型的低地球轨道高度，氮粒子的密度低于1× 10¹² m⁻³ ，在卫星尾流中甚至更低，正如尾流屏蔽设施飞行实验的外延生长演示所显示的那样。
我们的使命是确定在近地轨道上可以生产的材料质量，同时优化生长工具的设计和操作，从而最大限度地利用太空中的这些条件带来的优势。
在太空进行化学气相沉积（CVD）生长会引发一系列复杂的工程、制造和成本挑战——因此，专注于相对简单的概念验证和早期规模化策略至关重要。基于这些考虑，我们优先考虑……
在太空半导体生长方面，我们将尽可能采取保守策略。我们的座右铭是：唯有太空才能成就的事，我们只在太空完成。因此，我们专注于提升低地球轨道（LEO）上可生长晶体的质量，而非规模。一旦达到这一目标，我们将只致力于利用返回的高质量太空晶种，实现传统的地面半导体规模化生产。
基于此，我们已将一台半导体生长试验设备送入太空，目前它正搭载在一颗自由飞行卫星上绕地球运行。我们于去年六月发射的ForgeStar-1卫星，目前正在对有效载荷中的等离子体增强化学气相沉积（PECVD）试验系统进行初步可行性测试。尽管我们的设备规模较小，设计用于生长几毫米厚的材料，但这却是我们在太空探索领域迈出的重要一步，证明我们有能力在轨道上使用半导体生长设备。完成这一阶段后，我们将开展一系列任务，逐步扩大设备规模，并开始全面了解无机晶体在轨道上的成核和生长物理机制。
在太空中生长晶体并返回地球面临诸多挑战——尤其是在有效载荷的尺寸、重量和功率方面进行优化，从而实现可靠且可重复的在太空中生长无机晶体。大多数在太空制造的能源需求都是一个显而易见的难题，也是开展此类项目的一大障碍。为了直面这一挑战，我们正在开发市场上能量密度最高的卫星之一，以实现在轨晶种的生长。我们的下一代航天器将具备通常只有通信卫星才能达到的发电能力，并能够从轨道速度返回地球，这在载人航天器之外极为罕见。
在努力实现这些目标的过程中，我们将优化等离子体增强化学气相沉积（PECVD）设备的尺寸、重量和功率。我们在这方面的改进已经带来了能源效率方面的重大创新，甚至可能对纯粹的地面系统产生影响。
我们正在开发一种灵活的工具功能，它不必安装在我们的卫星上才能工作——它可以安装在未来的系统中，并可根据其他客户的材料或实验需求进行调整。
02、面向太空的设计
在航天工业领域，国际空间站 (ISS) 是开发在轨制造的主要平台。然而，它不仅在化合物半导体的生长方面存在诸多问题，而且还在逐步退役。这意味着该行业正在转向私营模式，涉及商业近地轨道 (LEO) 目的地，这些目的地预计将取代国际空间站的大部分功能。因此，我们正与多家合作伙伴携手，将我们的系统部署在他们的平台上——这是一种互惠互利的安排，因为商业平台需要可行的商业运营模式才能正常运作，前提是它们具备足够的功率密度能力。
在近地轨道 (LEO) 培养出晶种后，我们必须将其返回地球。由于太空运输领域的激烈竞争，这并非像乍看起来那么困难。近年来，涌现出许多公司，例如美国的瓦尔达航天工业公司 (Varda Space Industries) 和德国的阿特莫斯航天货运公司 (Atmos Space Cargo)。这两家公司都在各自开发卫星返回地球的方法——尽管它们的重点是用于药物晶体生长的低功率密度方案。目前，我们正在利用我们自己的卫星开发一种集成方案，部署一个隔热罩，该隔热罩可作为一种气动稳定的返回装置，穿越地球大气层，并能够预测和跟踪低冲击着陆区。
03、规模化生产
是我们方案的核心——也是所有在太空制造无机晶体的核心——在于我们晶体的质量足够高，返回地球后能够作为晶种，大规模生产高质量的晶圆。那么，这种晶圆的质量需要达到什么程度呢？答案是：足以取代市场上现有的地面晶种材料。
基于这些因素，我们正积极参与多项与在轨计量和生长控制相关的突破性活动，探索一些我们目前可以预见的关键问题。这些问题包括：需要哪些技术和数据来理解原位和在轨测量与优化？如何在无需实时干预的情况下实现可控且可重复的制造？如何模拟在轨微重力环境下的生长，以降低研发成本并提高可靠性？所有这些问题都在着手解决。
在地面上，我们正在应对所有化合物半导体供应商都必须面对的技术和商业挑战。如果不能在地面上进行生长工艺，尽可能长时间地保持初始晶体的质量，那么在低地球轨道（LEO）上生产高质量晶种就毫无意义。我们目前正与斯旺西的集成半导体材料中心（CISM）合作，开发这项能力。此外，我们还致力于对生长材料进行后处理，这些材料是工程衬底的核心，通过适当的表面处理，我们可以生产出具有市场竞争力的产品。
鉴于在地球上生长宽带隙和超宽带隙材料的挑战，这是我们的初步目标。与化合物半导体行业所有材料供应商（无论过去还是未来）面临的挑战类似，成功并非仅仅在于提供具有颠覆性理论特性的高质量解决方案。要实现显著的销售增长，关键在于我们的材料在供应链中的应用，最终使其成为协同设计的终端用户系统的一部分，从而使投入的成本和精力物有所值。为此，我们已作为传统材料供应商积极参与到功率、射频、光子和量子项目中。
展望未来，如果我们的太空制造方法取得成功，下一步是什么？我们很可能会将注意力转向开发新的市场和应用，而这些市场和应用将由高质量的宽带隙和超宽带隙材料来实现。例如，一旦我们在用于封装级热管理和集成材料的初始目标市场站稳脚跟，我们就可以逐步转向生产用于晶圆厂级有源器件的材料。或者，我们也可以开始探索如何让我们的材料支持量子应用。
我们或许会将研究方向拓展到其他生长工艺和材料，同时继续专注于那些晶体质量直接影响最终性能的系统。这方面的工作目前尚处于起步阶段，我们正在参与关于在轨非线性光学晶体生长可行性的早期讨论。同样，尽管CdTe的替代材料正在被开发用于太阳能电池，但已有关于在轨良好生长该材料的数据，一旦太空制造能力到位，这些数据或许可以进一步拓展。
无论未来的发展道路如何展开，显而易见的是，随着太空制造障碍的克服，轨道环境的优势——以及利用轨道环境所需的技术发展——有望帮助解决地球无机晶体生长方面的挑战。
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