Первая российская установка для выращивания полупроводников в космосе прошла все испытания и уже отправлена на МКС
Российские ученые из Института физики полупроводников им. А.В. Ржанова СО РАН (ИФП СО РАН) по заказу Ракетно-космической корпорации «Энергия» разработали установку для синтеза полупроводниковых материалов в космосе. Проект «Экран-М» призван использовать преимущества космического вакуума для создания высокочистых полупроводников методом молекулярно-лучевой эпитаксии. На данный момент это единственная в мире подобная исследовательская программа. Установка прошла все предполетные испытания и сегодня отправлена на МКС.
Полупроводниковые материалы, к которым предъявляются повышенные требования, выращиваются методом молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ). Атомарно-тонкие слои «укладываются» друг на друга в сверхвысоком вакууме так, чтобы кристалл полупроводника обладал нужными свойствами — например, улавливал или излучал свет в определенном диапазоне или выдерживал высокое электрическое напряжение, при котором у менее «выносливых» материалов происходит пробой. Земные установки МЛЭ — крупногабаритные, дорогостоящие, сложные в производстве. Отметим, что ИФП СО РАН — одна из немногих организаций в России, владеющая компетенциями для изготовления подобного оборудования. Чистота вакуума в установках такова, что на миллиард атомов синтезируемого материала не встретится даже один посторонний атом. А для осаждения каждого отдельного химического элемента нужна собственная вакуумная камера, чтобы не загрязнять ее другими соединениями.
При этом в космосе гораздо легче достичь требуемых параметров вакуума и можно использовать одну камеру для осаждения всех элементов. Так возникла идея проекта «Экран-М» — провести синтез полупроводниковых соединений на орбите. Специалисты ИФП СО РАН сделали «космическую» установку молекулярно-лучевой эпитаксии с нуля, с учетом ограничений — небольшого веса и габаритов, радиационной стойкости комплектующих, необычного поведения вещества в условиях воздействия факторов космического пространства.
«Глобальная цель “Экран-М” — исследовать, насколько эффективен процесс роста эпитаксиальных слоёв в космосе, как будут реализованы преимущества, которые предоставляет космический вакуум. В рамках проекта стартует начальная стадия развития технологии молекулярно-лучевой эпитаксии в космосе: отработка оборудования, анализ свойств полученного материала», — поясняет главный конструктор проекта, заведующий лабораторией ИФП СО РАН доктор физико-математических наук Александр Никифоров.
В РКК «Энергия» отмечают значимость проекта по созданию полупроводниковых материалов в космосе методом молекулярно-лучевой эпитаксии, как важный шаг в направлении технологического суверенитета.
«Новые данные о пилотируемой космонавтике говорят о том, что создание в космосе чистых полупроводниковых пленок методом молекулярно-лучевой эпитаксии – перспективное и в будущем коммерчески востребованное направление. Как инженеры мы видим, что это исключительный проект и для технологии, и для науки, и для развития в дальнейшем производства на орбите.
На первом этапе проекта будет отработан подход к созданию технологии синтеза пленок на орбите. А уже на основе полученных результатов можно прогнозировать, что потребуется для производства. Если говорить о долгосрочном продолжении эксперимента, речь пойдет о планируемой Российской орбитальной станции (РОС). Мы считаем, что претендовать на продолжение эксперимента на РОС можно и нужно», — объясняет заместитель руководителя научно-технического центра РКК «Энергия» им. С.П. Королева Дмитрий Сурин.
«Все элементы установки были разработаны заново: и нагреватель подложки, и молекулярные источники, и механизм передачи подложек — в обычных наземных установках они сделаны иначе. Например, одно из технологических решений касается конструкции молекулярного источника, из которого испаряется материал, нужный для роста полупроводниковой пластины. В источнике находится тигель, в котором плавится (превращается в жидкость), а затем испаряется исходный материал, в нашем случае — галлий или мышьяк. В невесомости жидкость собирается в шарики и разлетается по свободному пространству, покидая тигель и зону нагрева, делая невозможным рост кристалла на подложке. Поэтому над молекулярным источником нам пришлось сделать защитную мембрану с очень маленькими отверстиями, порядка 100 микрон. За счёт поверхностного натяжения капли через отверстия не проходят, но испарение материала осуществляется. Так мышьяк и галлий попадают на подложку, и синтезируется тонкая кристаллическая пленка арсенида галлия», — отмечает Александр Никифоров.
Ростовая часть установки изготовлена в экспериментальном цехе Института физики полупроводников. Электронный блок управления разработан и сделан ООО НПФ «Электрон» (Красноярск) по техническому заданию ИФП СО РАН.
«На орбите космонавтам нужно будет установить оборудование, загрузить кассету с шестью подложками и повторить эту операцию по окончании первого ростового цикла (планируется, что он продлится примерно две недели). Всего запланировано два ростовых цикла», — объясняет заместитель главного конструктора проекта, научный сотрудник ИФП СО РАН кандидат физико-математических наук Константин Фрицлер.
В космосе будет тестироваться пока наиболее простой процесс — гомоэпитаксия, то есть рост кристаллической пленки на подложке того же состава. В данном случае синтезируется арсенид галлия на подложке из арсенида галлия. Это один из самых популярных полупроводников, он используется в силовой электронике, для изготовления лазеров, фотодиодов, солнечных батарей.
«Эпитаксиальный рост арсенида галлия хорошо изучен, поэтому он был выбран как модельный объект. Сравнение полученных в космосе полупроводниковых материалов с наземными будет проводится в ИФП СО РАН. У нас большой опыт выращивания и исследования разных эпитаксиальных материалов, включая арсенид галлия. Мы владеем методиками синтеза, анализа, собственным оборудованием. Кроме того, есть и огромное количество зарубежных публикаций, поэтому оценка выращенных в космосе структур будет максимально представительной», — объясняет Александр Никифоров.
В перспективе новая информация, полученная учеными, может использоваться для развертывания полупроводникового производства на орбите. В частности, для получения фоточувствительных материалов для солнечных батарей. Их изготовление подразумевает не только высокое качество (а значит, и сверхчистые условия получения) синтезируемого сырья, но и сопряжено с работой с токсичными соединениями. В космосе утилизация последних происходит автоматически, они покидают камеру, не причиняя вреда, в отличие от земных условий.
«Человечество стремится в космос и вопрос организации внеземного производства материалов и изделий, необходимых для деятельности на орбите или при полётах к другим планетам, неизбежно встанет. Наш эксперимент — один из первых шагов в этом направлении. Полученный уникальный опыт конструирования космического технологического оборудования и его эксплуатации в условиях орбитального полета будет использован для дальнейших разработок. Обсуждение следующих экспериментов по росту пленок полупроводниковых материалов в космосе уже ведется со специалистами РКК “Энергия”», — подчеркивает Константин Фрицлер.
По материалам пресс-службы ИФП СО РАН