Специалисты Института физики полупроводников им. А.В. Ржанова 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 успешно 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 орбитальную 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», — пояснил главный конструктор проекта, заведующий лабораторией ИФП СО РАН доктор физико-математических наук Александр Иванович Никифоров.

В РКК «Энергия» отмечают значимость проекта по созданию полупроводниковых материалов в космосе методом молекулярно-лучевой эпитаксии, как важный шаг в направлении технологического суверенитета.

По материалам пресс-службы ИФП СО РАН

Фото Надежды Дмитриевой

 

Больше информации по Академгородку 2.0 и СКИФ — в нашем Телеграм!

 

На Земле многослойные полупроводниковые структуры «выращиваются» методом молекулярно-лучевой эпитаксии: атомы разных элементов укладываются на специальную подложку послойно, в результате чего образуются многослойные наноструктуры с нужными свойствами. Чтобы в растущую структуру не попали чужеродные атомы и не испортили ее характеристики, процесс должен происходить в сверхвысоковакуумных установках. Однако, такие  приборы весьма дороги, при этом в земных условиях в них труднодостижимы высокие параметры чистоты вакуума, которые с легкостью можно получить в космосе. Для этого реализуется проект «Экран», участники которого ― ИФП СО РАН, ПАО «РКК «Энергия», ООО НПФ «Электрон» (Красноярск) и другие научные и производственные организации. Сейчас это единственный в мире проект подобной тематики.

«Мы оснастили опытный образец отечественной электроникой, в ближайшее время будут проходить контрольно-доводочные испытания. Вместе с коллегами из красноярской научно-производственной фирмы “Электрон” мы проверим слаженность работы блока управления и установки молекулярно-лучевой эпитаксии. Затем весь комплекс отправим в Москву, и там уже будет проводиться опробование прибора в условиях, приближенных к тем, что есть в космосе», ― говорит главный конструктор проекта, заведующий лабораторией молекулярно-лучевой эпитаксии элементарных полупроводников и соединений А₃В₅ ИФП СО РАН доктор физико-математических наук Александр Иванович Никифоров.

«Мы сделали и гидромакет установки для предполетных испытаний в воде, которые проводятся по стандартам РКК “Энергия”. Последние нужны, чтобы космонавт мог совершить в бассейне, в костюме похожем на скафандр, все действия, которые потребуются на орбите. Сейчас обсуждается возможность заключения договора с НИИ “Центр подготовки космонавтов им. Ю.А. Гагарина”. К нам планируется откомандировать двоих космонавтов, а мы, в свою очередь, отправим к ним наших технологов», ― объясняет научный руководитель проекта, заведующий отделом ИФП СО РАН доктор физико-математических наук Олег Петрович Пчеляков.

Вся установка спроектирована так, чтобы синтез полупроводникового материала происходил автоматически. Космонавту нужно будет провести лишь некоторые подготовительные этапы, присоединить кассету с подложками арсенида галлия (GaAs), а после завершения процессов синтеза, снять ее и отправить на Землю в спускаемом модуле.

«Эргономические характеристики установки обусловлены, в том числе и размерами скафандра: космонавт в огромных перчатках сможет с легкостью выполнить задачи связанные с обслуживанием прибора. При этом все комплектующие сделаны с учетом крайне жестких ограничений по габаритам и весу, поскольку стоимость каждого килограмма груза, доставленного на орбиту ―  около 20 тысяч долларов, а пространственные размеры определяются параметрами грузового люка», ― подчеркивает ведущий инженер лаборатории молекулярно-лучевой эпитаксии элементарных полупроводников и соединений А₃В₅ ИФП СО РАН Дмитрий Николаевич Придачин.

Установку для выращивания полупроводников планируется разместить на Международной космической станции за специальным экраном. Упрощенно его можно представить как диск из нержавеющей стали, двигающийся вместе со станцией с первой космической скоростью. В кильватере диска  образуется сверхвысокий вакуум с характеристиками, не достижимыми в земных условиях. Поэтому «космические» полупроводниковые материалы во время синтеза будут защищены от попадания чужеродных атомов, и, как следствие, практически бездефектны.  Эти материалы могут использоваться, в частности, для производства легких и радиационно-стойких солнечных батарей, которые востребованы, в том числе на самой МКС. Ученые предполагают, что КПД таких устройств будет выше, чем у аналогичных панелей полностью земного происхождения, благодаря высокому качеству полупроводникового материала.                                         

По материалам пресс-службы ИФП СО РАН, фото из открытых источников