Внеземная чистая комната: на МКС начали выращивать полупроводники

Справка. Полупроводники – это материалы, находящиеся по своим свойствам между проводниками (как, к примеру, медь) и изоляторами (стекло).Они способны проводить или блокировать прохождение электрического тока при определенных заданных условиях, за что их и ценят создатели современной микроэлектроники. Наиболее распространенным полупроводником считается кремний, который выступает основным материалом компьютерных чипов, а также германий, арсенид галлия и карбид кремния.

Зачем создавать космическую «оранжерею» для полупроводников

Ученые решили попробовать создать производство полупроводников в космосе, поскольку именно там можно добиться особо высокочистых материалов методом молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ).

Это метод, при котором атомы или молекулы вещества испаряются в условиях сверхвысокого вакуума и тонкой, упорядоченной струей осаждаются на нагретую монокристаллическую подложку, формируя кристалл с заданным профилем. Процесс позволяет строить сложные многослойные структуры с точно контролируемой толщиной и свойствами, подобно тому, как кирпичик за кирпичиком выкладывают идеально ровную стену. Слои полупроводника моделируются в зависимости от того, что нужно получить на выходе, чтобы кристалл полупроводника обладал нужными свойствами, например, улавливал или излучал свет в определенном диапазоне или выдерживал высокое электрическое напряжение лучше, чем другие материалы.

Чистота вакуума в земных установках МЛЭ такова, что на миллиард атомов синтезируемого материала не встретится даже один посторонний атом. Но есть, по словам ученых, у такого производства свои минусы: слишком большие, дорогостоящие установки, необходимость создавать вакуумную камеру для осаждения каждого отдельного химического элемента, а также опасность загрязнения воздуха токсичными газами.

Оказалось, что в космосе можно этих минусов избежать.

- Если говорить о предполагаемых преимуществах выращивания полупроводниковых материалов на орбите, их несколько, – поясняет главный конструктор проекта «Экран-М», завлабораторией Института физики полупроводников им. А.В. Ржанова Александр Никифоров. - Во-первых, в космосе используется существующий там вакуум, – не нужно строить установку для достижения нужных параметров. Во-вторых, нужна только одна камера для осаждения всех элементов, весь материал, не затраченный на синтез полупроводникового соединения, покидает ростовую камеру (основной блок, в котором происходит выращивание полупроводников – Авт.), уходя в космическое пространство, не осаждаясь на стенках. У камеры не возникает «памяти» на соединения, которые в ней растили раньше. И третье, – синтез полупроводниковых соединений зачастую связан с использованием токсичных соединений, газов. На Земле строятся специальные утилизационные системы, защищенные системы подачи газов. В космосе это не требуется, так как токсичные соединения «утилизируются» космическим пространством автоматически, не принося человеку никакого вреда.

Путь в космос длиной в 29 лет

Работы для создания «космических» полупроводников стартовали в ИФП СО РАН в 1996 году под руководством доктора физико-математических наук, профессора Олега Пчелякова. На данный момент эксперимент – единственная в мире подобная исследовательская программа. Похожие исследования проводились в США в 1990-х — начале 2000-х годов под руководством профессора Алекса Игнатьева из Хьюстонского университета, но деятельность была свернута после катастрофы шаттла «Колумбия» в 2003 году.

- Эксперимент «Экран-М» – значимый шаг для развития материаловедения, для науки в целом, – говорит Александр Никифоров. – Глобальная цель — исследовать, насколько эффективен процесс роста эпитаксиальных слоёв в космосе.

Во время одного из выходов в открытый космос российскому экипажу надо будет разместить МЛЭ-установку на внешней поверхности станции.

Ученые планируют первым делом проверить оборудование, создать технологии синтеза пленок арсенида галлия на орбите, проанализировать свойств полученного материала.

Проект «Экран-М» входит в долгосрочную программу целевых работ на МКС. Если все пойдет, как надо, то не исключено, что работа по выращиванию полупроводников будет продолжена уже на новой станции РОС.