Российские полупроводники вырастят в космосе: установку отправили на МКС
Сотрудники Института физики полупроводников имени Ржанова Сибирского отделения РАН (ИФП СО РАН) по заказу РКК «Энергия» создали оборудование для синтеза полупроводников в космосе. Проект называется «Экран-М». Он предполагает использование преимуществ вакуума для получения сверхчистых полупроводниковых материалов с помощью молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ). На сегодня подобная научно-прикладная программа — единственная в мире. Оборудование прошло предполетные тесты и было отправлено на Международную космическую станцию (МКС) 12 сентября 2025 года.
МЛЭ является базовым методом выращивания полупроводников с повышенными эксплуатационными требованиями. В процессе эпитаксии атомарные слои в условиях максимально достижимого вакуума помещаются друг на друга таким образом, чтобы получаемые кристаллы обладали нужными свойствами — излучали или принимали свет на определенной длине волны или выдерживали ток высокого напряжения, не допуская пробоев. На Земле установки МЛЭ — крупногабаритное оборудование, сложное и дорогое в производстве и эксплуатации. Отходы синтеза токсичны и требуют ответственной утилизации.
ИФП СО РАН — один из немногих российских научных центров, обладающих компетенциями для выпуска и обслуживания подобных установок. Уровень разрежения в них таков, что на 109 атомов синтезируемого проводника не встречается ни одного постороннего атома. Для осаждения каждого химического элемента предусмотрена «персональная» вакуумная камера, которая не загрязняется другими веществами.
В космосе достичь нужного уровня вакуума гораздо проще — он в неограниченном количестве находится за бортом МКС. Там можно использовать для осаждения всех элементов одну общую камеру. Это вдохновило ученых на реализацию проекта «Экран-М» по синтезу полупроводников на орбите. Ученые и инженеры ИФП СО РАН с нуля сконструировали и собрали «космическую» установку молекулярно-лучевой эпитаксии. Были учтены ограничения по массе и габаритам, требования стойкости деталей к повышенной радиации, параметры поведения вещества в условиях космического пространства.
Главный конструктор проекта «Экран-М», заведующий лабораторией ИФП СО РАН Александр Никифоров отметил, что ключевая цель ученых — понять, насколько эффективен процесс роста эпитаксиальных слоев на орбите по сравнению с Землей. Также в рамках проекта будет проведена отработка оборудования в разных режимах и проанализированы свойства синтезированных материалов.
Заместитель руководителя научно-технического центра РКК «Энергия» имени Королева Дмитрий Сурин убежден, что создание на околоземной орбите чистых полупроводниковых пленок методом МЛЭ — перспективное и коммерчески востребованное направление пилотируемой космонавтики. Этот проект ценен и для фундаментальной науки, и для технологии — с прицелом на дальнейшее производство полупроводников на орбите. Оно может стать крайне важным для поддержания российского технологического суверенитета. Эксперименты должны продолжаться и после планируемого запуска Российской орбитальной станции (РОС).
Александр Никифоров сообщил, что все элементы установки для выращивания полупроводниковых кристаллов были разработаны заново. В число модернизированных узлов вошли:
- Нагреватель подложки;
- Молекулярные источники;
- Механизм передачи подложек.
В земных установках эти элементы устроены по-другому. Так, одна из технологических инноваций коснулась конструкции молекулярного источника. Из него испаряется вещество, которое формирует растущую полупроводниковую пластину. В источнике помещается тигель, где исходный твердый материал — например, галлий или мышьяк — плавится, а затем испаряется. Как известно, в невесомости жидкости формируют шарики и разлетаются из тигля по камере. Рост кристалла на подложке становится невозможным. Чтобы решить эту проблему, ученые поставили над молекулярным источником защитную мембрану с отверстиями диаметром около 100 микрон. Силы поверхностного натяжения не пропускают через эти микроотверстия жидкие капли, но пропускают пары. В результате мышьяк и галлий попадают на подложку, после чего начинается требуемый синтез кристаллической нанопленки арсенида галлия (GaAs).
Блок роста кристаллов изготовлен в экспериментальном цехе ИФП СО РАН. ЭБУ разработан и создан ООО НПФ «Электрон» (Красноярск) по техническому заданию института.
Российскому экипажу МКС будет необходимо:
- Установить оборудование;
- Загрузить кассету с шестью подложками;
- Повторить загрузку по окончании первого ростового цикла;
- Предполагается два цикла роста каждый по две недели.
На орбите пока протестируют самый простой процесс — гомоэпитаксию, рост кристаллов на подложке одного и того же состава (синтез арсенида галлия на подложке из арсенида галлия). Этот полупроводник — третий по объему использования в мире после кремния и германия. Он востребован в разных отраслях от силовой электроники и лазеров до фотодиодов и солнечных панелей.
По словам Александра Никифорова, арсенид галлия хорошо изучен и служит модельным полупроводником. Полученные в космосе образцы будет исследоваться и сравниваться с земными образцами в лабораториях ИФП СО РАН. Ученые планируют использовать собственный опыт выращивания арсенида галлия и практику зарубежных коллег.
Дополнительным плюсом развертывания производства полупроводников в космосе является безопасная утилизация токсичных соединений — после окончания синтеза они автоматически покинут камеру и без следа развеются в космическом пространстве. На Земле утилизировать ядовитые отходы приходится вручную.
Программа «Экран-М» входит в утвержденный «Роскосмосом» перечень долгосрочных целевых работ на МКС. Эксперименты в сфере орбитальной эпитаксии начались в Институте физики полупроводников в 1996 году под руководством профессора Олега Пчелякова. Сегодня он является научным руководителем проекта «Экран-М».
На борту МКС не только выращивают полупроводники. Недавно мы рассказали о судьбе побывавших на орбите мышиных стволовых клеток. После возвращения на Землю из них появилось здоровое потомство.
