Новосибирские ученые испытают опытный образец установки для выращивания полупроводников в космосе

Исследователи Института физики полупроводников им. А.В. Ржанова СО РАН подготовили к контрольно-доводочным испытаниям опытный образец комплекса научной аппаратуры для синтеза полупроводниковых структур на Международной космической станции. После предыдущего этапа тестирования специалистами ИФП СО РАН проведено изменение конструкторской документации и создан новый опытный образец для дальнейших испытаний, с учетом последних требований ПАО «Ракетно-космическая корпорация “Энергия” имени С.П. Королёва». 

На Земле многослойные полупроводниковые структуры выращиваются методом молекулярно-лучевой эпитаксии: атомы разных элементов укладываются на специальную подложку послойно, в результате появляются полупроводниковые 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. 

Именно для создания полупроводникового производства на орбите Земли 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 недостижимыми 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 МКС. Ученые предполагают, что КПД таких устройств будет выше, чем у аналогичных панелей полностью земного происхождения, благодаря высокому качеству полупроводникового материала.

Пресс-служба ИФП СО РАН

Фото: Фотоприёмная матрица размером 2000 на 2000 элементов, чувствительная в инфракрасной области спектра, на базе гетероструктур кадмий-ртуть-теллур, полученных методом молекулярно-лучевой эпитаксии / isp.nsc.ru