Выращивание полупроводниковых кристаллов в космосе. Полупроводниковые кристаллы космического совершенства

Рост однородных кристаллов твердых растворов соединений А2В6 и А3В5 считается одним из перспективных направлений космического материаловедения. Этот метод уже использовался при выращивании кристаллов в космосе.

Однако и здесь в некоторых случаях наблюдалась большая неоднородность свойств выращенных кристаллов. В настоящее время за рубежом исследования в этом направлении продолжаются. В частности, в Японии выполняется обширная программа теоретических исследований и наземных экспериментов по подготовке космических экспериментов по получению на японском модуле МКС однородных кристаллов In1-xGaxAs и Cd1-xZnxTe. Аналогичные эксперименты планируются европейскими учеными в рамках программы MAP. Поэтому планируемый эксперимент ВАМПИР соответствует новейшим направлениям в космическом материаловедении.

© В.И.Стрелов, Б.Г.Захаров
© Государственный музей истории космонавтики им. К.Э. Циолковского , г. Калуга
Секция "К.Э. Циолковский и проблемы космического производства"
2008 г.

Анализ результатов экспериментов по выращиванию монокристаллов полупроводников в реальных условиях микрогравитации на борту космических аппаратов показывает, что по совокупности свойств полученные в космических экспериментах кристаллы были не лучше полученных в земных условиях. Они имели, как правило, или значительную микронеоднородность (полосы роста), или макронеоднородность распределения легирующей примеси по диаметру и длине слитков, происхождение которых может быть связано только изменением характера и возрастанием интенсивности конвекции в расплаве. Поэтому, для достижения высокой однородности свойств выращиваемых кристаллов необходимо в расплаве обеспечить условия диффузионного тепломассопереноса.

Эти условия и ожидаемые предельные параметры кристаллов могут быть получены:

– при отсутствии термогравитационной конвекции,

– при исключении свободной поверхности расплава,

– при минимизации внешних квазистатических воздействий на расплав, вызывающих в условиях микрогравитации из-за возрастающей гравитационной чувствительности расплавов вынужденные конвективные течения в них и, соответственно, неоднородность состава и свойств выращиваемых кристаллов.

Только в условиях диффузионного тепломассопереноса свободный рост кристаллов будет происходить в стабильных температурных условиях путем самоорганизации атомов и будут обеспечиваться однородность состава и свойств на этом уровне. В этих условиях можно получить эталонные образцы или отдельные рабочие образцы, на которых будут не только определены параметры кристаллов, но на них могут быть изготовлены образцы оптоэлектронных приборов с предельно достижимыми параметрами. Однако в настоящее время эти условия трудно реализуемы.

Поэтому основная задача космических технологий заключается не в организации серийного производства в космосе кристаллов из расплава, а в использовании новых знаний о процессах кристаллизации, получаемых в космосе, в земных технологиях с максимальным приближением к условиям, обеспечивающим минимизацию конвективных процессов.

Для современных приборных технологий требуются высокооднородные легированные кристаллы диаметром несколько сотен миллиметров. При этом для их выращивания необходимы многотонные установки, которые нереально и нет необходимости располагать в космосе, тем более, когда им есть альтернатива на Земле за счет минимизации конвективных процессов в расплавах. Как следует из анализа экспериментальных и теоретических исследований процессов тепломассопереноса в расплавах полупроводников, это проблема чисто техническая: прежде всего это минимизация радиального градиента температуры, точность ориентации направления кристаллизации и отсутствие свободной поверхности расплава.

July 15th, 2009 , 03:29 pm

Интереснейшие письма. Даю их без правки.

в 80-е годы мы работали над созданием металлургического производства в космосе. дело в том что при выращивании монокристалов кремния и германия на земле на специальных химико-металлургических заводах /один у россии остался в подольске, под москвой/, из этих монокристаллов получают подложки на которых выращивают микросхемы /микрочипы/. при этом и у японцев и у нас в СССР в брак уходит примерно 96% и выход годного не превышает 4%. но в СССР были проведены эксперименты по выращиванию в космосе монокристаллов кремния и германия. так вот из этих кристаллов, выращенных в космосе, при изготовлении микросхем выход годного был равен 99,99999999999999999999999999........... ........%.
вот такие дела. В 86 году финансирование этой тематики было прекращено.
работал я в НИИТМ, это система МОМ.
наш филиал был в днеппропетровске (ДФ НИИТМ),
в Златоусте (УФ НИИТМ)
при завершении этой работы весь мир был бы в руках у россии.

Вы же понимаете что каждый занимался своим маленьким кусочком работы. но суть проблемы в том, что при выращивании монокристаллов на земле, монокристаллы изобилуют дефектами на атомарном уровне - дислокациями, вакансиями, то есть или отсутствием атомов в кристаллической решетке, или наоборот избытком атомов в решетке. сделанная из таких дефектных монокристаллов подложка не позволяет вырастить нормальную микросхему, состоящую из миллионов элементов. выращенные в космосе с помощью экспериментальной установки "Сплав" монокристаллы были лишены тех дефектов, которые получает монокристалл выращенный на земле. тут сказыцвается и невесомость и глубокий ваккум и возможно какие то факторы, которые нам не известны. попытки химико-металлургического завода решить проблему на земле путем дефектоскопии монокристаллов ни к чему не привели, так как обнаружить наличие или отсутствие атома в кристаллической решетке пока не решаемо. но даже если и решаемо, то ведь кристалл то уже выращен дефектный!!!
а в космосе он растет БЕЗДЕФЕКТНЫЙ!
мы занимались вопросом создания системы неразрушающего контроля конструкции самого завода в космосе. завод разрабатывался как безвредное предприятие. все отходы литейного производства должны были отправлятся на солнце.
разрабатывались и конструкция предприятия и система доставки шихты и возврата на землю готовой продукции.
финансирование тематики прекратилось в 86 годк (примерно)
на нашем институте, который назывался НИИТМ (Марьина роща) сейчас висит этикетка "РОСКОСМОС", а по территории опытного производства бегают крысы...............
ладно, не буду больше. так у меня и ВИЛС уничтожили, на котором я более 20 лет проработал, и КБ "Сатурн" А.М.Люльки

"НИИТМ" научно-исследовательский институт технологии машиностроения. это отраслевой институт в Министерстве Общего Машиностроения (МОМ)
территориально находится в районе "Иарьина Роща"

завод предполагалось строить из сборных конструкций, доставляемых с земли и свариваемых в космосе. завод должен был обслуживаться сменными бригадами и сажать его на землю не предполагалось. разрабатывались и, возможно, были разработаны и сами части конструкции для сборки и корабли для доставки этих конструкций на место монтажа. разрабатывались вопросы энергетического обеспечения литейного процесса и выращивания монокристаллов. думаю что и доставка шихты и удаление готовой продукции должно было быть максимально автоматизировано, но промышленное производство здорово отличается от эксперимента, так что мои домыслы о сменных бригадах скорее всего верны.
даже не производя всего комплекса ныне существующих микрочипов, а торгуя одними подложками для их производства, россия могла бы не вывозить ни нефть, ни газ, и никакое сырье.
обогнать в этом направлении СССР было невозможно. вот поэтому его и убили - СССР

Недавно ученым из Японии удалось вырастить идеальные кристаллы твердого гелия, что в земных лабораториях сделать весьма непросто - они легко деформируются под действием силы тяжести. Однако исследователи поступили весьма оригинально - они выращивали гелиевые кристаллы в условиях невесомости, которые были созданы на борту реактивного самолета.

Перед тем как начать рассказ о кристаллах твердого гелия, нужно напомнить о том, зачем вообще ученым они понадобились. Как мы знаем, среди различных агрегатных состояний вещества кроме жидкого, твердого и газообразного имеется еще и такое, которое называют конденсатом Бозе-Эйнштейна. В таком состоянии вещество состоит не из молекул и атомов, а из бозонов, охлаждённых до температур, близких к абсолютному нулю.

Одним из интересных свойств конденсата Бозе-Эйнштейна является сверхтекучесть - состояние, при котором он обладает нулевой вязкостью, то есть при прохождении через различные отверстия или просто по поверхности между ним вообще не возникает трения. Сами понимаете, такое свойство может быть весьма полезным. Кроме того, доказано, что в сверхтекучем состоянии вещества могут являться еще и высокотемпературными сверхпроводниками.

Словом, если бы ученые смогли переводить без всяких проблем известные нам вещества в сверхтекучее состояние, можно было бы решить множество проблем. Но вот беда - сделать это пока достаточно сложно. В то же время еще в 60-х годах прошлого столетия высказывались предположения о том, что сверхтекучестью могут обладать и некоторые твердые тела, особенно те, что образовывают кристаллы. И самыми первыми кандидатами на роль таковых назывались кристаллы твердого гелия, которые образуются при давлении более 25 атмосфер.

Еще в 2004 году американские физики из Университета Альберты сообщили об экспериментальном наблюдении совершенно неожиданного эффекта - сверхтекучести в твердом гелии. Однако их эксперименты не удалось воспроизвести в других лабораториях, в результате чего достоверность результатов данной работы была подвергнута сомнению. Чуть позже, в 2009 году, физикам из Калифорнийского университета в Беркли удалось получить газ рубидия в состоянии сверхтекучего твердого тела.

Однако подобное направление признали неперспективным - дело в том, что с рубидием сложно работать. Хотя он по распространенности в земной коре находится примерно на 20-м месте (как медь, никель и цинк), однако в природе этот металл существует в рассеянном состоянии, не образуя собственных минералов и встречаясь в основном вместе с другими щелочными элементами, например, с калием. То есть его достаточно сложно добывать, что делает все исследования с ним весьма дорогостоящими.

Из-за этого ученые вновь решили вернуться к любимому всеми гелию. Но чтобы исследовать его свойство сверхтекучести в твердом состоянии, сперва необходимо вырастить те самые кристаллы. В принципе это не сложно - для этого всего-то нужно создать давление выше 25 атмосфер и опустить температуру до -272 градусов по Цельсию. Было неоднократно показано, что в такой "морозилке" кристалл образуется практически за секунды. Однако есть еще одно "но": когда кристаллы гелия растут при наличии гравитации, они легко деформируются. А это сильно сказывается на всех их свойствах, в том числе и на сверхтекучести.

И вот недавно ученые из Японии предложили весьма оригинальный способ справиться с этой проблемой - нужно просто выращивать кристаллы в невесомости! Причем совсем не обязательно делать это в космосе - исследователи использовали для своих экспериментов небольшой реактивный самолет. Ведь при определенных траекториях движения, например, в параболическом полете, этот аэроплан мог находится в условиях невесомости в течение 20 секунд, чего вполне достаточно для того, чтобы вырастить нормальный кристалл. В итоге за 20 часов полетов физики сумели провести целых восемь экспериментов!

Опыты проходили так: сначала по стандартной технологии выращивались первичные кристаллы, а после их сбрызгивали "каплями" гелия-4, который уже находился в сверхтекучем состоянии. Все это происходило в специальном бортовом холодильнике. Большие кристаллы гелия размещали в его нижней камере высокого давления, а затем дробили их акустической волной, чтобы разрушить на мелкие кусочки. После того как их спрыскивали сверхтекучим гелием-4, кристаллики меньшего размера плавились, а крупные же быстро росли, достигая в итоге размера около 10 мм.

В итоге исследователям удалось полностью пронаблюдать процесс формирования кристалла. Интересно, что он был похож на явление, которое называют Оствальдовским созреванием. Его можно наблюдать в привычной жизни на примере мороженого: с течением времени в нем более крупные кристаллы льда присоединяют к себе мелкие, и в итоге весь продукт становится твердым и хрустящим. Но в этом случае Освальдовское созревание происходит достаточно медленно, а вот с гелием эффект получился весьма быстрым - процесс занял секунды.

"Кристаллы гелия могут очень быстро вырастать из сверхтекучей материи. Это идеальный материал для изучения фундаментальных свойств таких кристаллов, поскольку они образуются очень и очень быстро" - так прокомментировал результаты работы ведущий автор исследования профессор Номура Рюдзи. Теперь, когда физикам наконец-то удалось вырастить идеальный кристалл твердого гелия, можно будет попробовать проверить его на сверхтекучесть.

Кстати, американские ученые, обнаружившие это свойство в 2004 году, в ответ на критику работы указывали, что у их оппонентов ничего не получилось из-за того, что кристаллы, с которыми те работали, были деформированы. Сейчас же японские исследователи смогут перепроверить результаты своих коллег, используя уже абсолютно нормальный кристалл, выращенный в условиях невесомости…

Первые эксперименты по получению материалов в космосе начались 50 лет назад. За прошедшие годы основные методики и подходы к данным исследованиям не претерпели больших изменений, но цели работ, лежащих в этом русле, стали совсем другими: от поиска новых термостойких металлов учёные перешли к полупроводниковым кристаллам для солнечной энергетики. К очередному эксперименту из этой серии готовятся исследователи из совместно с коллегами из Университета Хьюстона (University of Houston): на борту Международной космической станции (МКС) они хотят вырастить кристаллы совершенной структуры для солнечных панелей.

Полупроводниковые кристаллы – это основа всей электроники, и, конечно, существует масса методов их получения в земных условиях. К сожалению, все они обладают общими недостатками: выращенные кристаллы часто оказываются неоднородными, слишком маленькими или испорченными посторонними примесями. Причин на то много, но среди них существует одна наиболее общего характера – сила притяжения. В земных условиях гравитация порождает явление термогравитационной конвекции, перемешивания жидкости под действием разности температур в поле тяготения. В условиях же космической невесомости роль этого фактора значительно спадает, и становится возможным получать полупроводниковые кристаллы более чистой структуры и совершенного состава.

Первые эксперименты по выращиванию материалов в космосе начались вскоре после полёта Гагарина , в 1961 году, и их результаты часто оказывались противоречивыми. Так, кристаллы Ge(Ca) и InSb(Te), полученные в американских экспериментах «Скайлэб», отличались высокой однородностью структуры, а кристаллы с борта «Аполлона-Союза», напротив, проигрывали своим земным аналогам. Причин для подобных неудач приводилось несколько: вибрации механизмов, остаточные микроускорения (ускорение свободного падения на борту космических аппаратов не равняется строго нулю вопреки распространяемым заблуждениям), некоторые конвекционные эффекты, незаметные при земном притяжении. Так учёным стало понятно, что космические условия намного сложнее, чем выглядят на первый взгляд, и многие эксперименты стали сопровождаться численными моделированиями. Они подтвердили: получать кристаллы совершенной структуры в космосе возможно, но чрезвычайно трудно.

Поэтому следующим этапом в изучении возможностей создания идеальных кристаллов стал метод физического моделирования. Полупроводниковые кристаллы часто получают методом направленной кристаллизации. Грубо говоря, тигель с нагретым расплавом нужного состава постепенно вносится в область с пониженной температурой, где и начинают расти кристаллы. Для ослабления земного явления термогравитации в подобных условиях учёные предложили перемещать не сам расплав, а создавать движущееся температурное поле с малыми радиальными температурными градиентами. Такой подход позволил моделировать космические условия роста кристаллов и заранее планировать эксперименты с экономией времени и материала. Один из самых ярких подобных опытов был проведён самими авторами обзорной статьи. Полупроводниковые кристаллы GaSb(Te) были перекристаллизованы в земных условиях и на борту АКА «Фотон-М3». В обоих случаях получились однородные кристаллы высокой чистоты, в которых наблюдались некоторые периодические зависимости физических свойств от структуры. При этом период зависимости для космических образцов составил 90 минут (что совпадает с периодом обращения спутника), а для наземных – 5–20 минут.

Очередной эксперимент по получению полупроводниковых кристаллов в космосе планируется провести уже в 2013 году. На борту МКС исследователи хотят вырастить кристаллы совершенной структуры для солнечных панелей – так уже отработанные методики находят новые практические приложения. При этом результаты подобных, несколько экзотических экспериментов помогают и совершенствованию наземных технологий.

Подробно результаты теоретических и экспериментальных работ, посвящённых выращиванию в космосе полупроводниковых кристаллов, описаны в обзорной статье российских физиков из ФТИ им. А. Ф. Иоффе РАН и НИЦ «Космическое материаловедение» . Публикация размещена на страницах журнала «Физика твёрдого тела» . Материалами для обзора послужили как многочисленные результаты исследований самих авторов, так и наиболее яркие работы их зарубежных коллег.