Арсенид галлия — популярный полупроводник в сфере электроники. Его получают с помощью молекулярно-лучевой эпитаксии. Российские исследователи впервые в мире решили протестировать этот метод на борту Международной космической станции, где синтез полупроводников становится проще и безопаснее.
Исследователи Института физики полупроводников имени Ржанова Сибирского отделения РАН (ИФП СО РАН) по заказу РКК «Энергия» разработали оборудование для синтеза полупроводников в космосе. Проект назван «Экран-М». Он предполагает использование преимуществ вакуума для получения высококачественных полупроводниковых материалов с применением молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ). На сегодняшний день данная научно-прикладная программа является единственной в своем роде. Оборудование успешно прошло предполетные испытания и было отправлено на Международную космическую станцию (МКС) 12 сентября 2025 года.
МЛЭ представляет собой основной метод роста полупроводников с высокими эксплуатационными требованиями. В процессе эпитаксии атомарные слои в условиях максимально достижимого вакуума укладываются друг на друга так, чтобы получаемые кристаллы имели необходимые характеристики — излучали или принимали свет на определенной длине волны или выдерживали высокое напряжение, не допуская пробоев. На Земле установки МЛЭ являются крупными и сложными в производстве и эксплуатации. Отходы синтеза токсичны и нуждаются в ответственной утилизации.
ИФП СО РАН — один из немногих научных центров в России, обладающих компетенцией по производству и обслуживанию таких установок. Уровень разрежения в них таков, что на 10^9 атомов синтезируемого проводника не оказывается ни одного постороннего атома. Для осаждения каждого химического элемента предусмотрена специальная вакуумная камера, которая не подвержена загрязнению другими веществами.
В космосе достичь необходимого уровня вакуума значительно проще — он в неограниченном количестве доступен за пределами МКС. Там возможно использовать для осаждения всех элементов одну общую камеру. Это вдохновило ученых на осуществление проекта «Экран-М» по синтезу полупроводников на орбите. Исследователи и инженеры ИФП СО РАН с нуля разработали и собрали «космическую» установку молекулярно-лучевой эпитаксии. При этом были учтены ограничения по массе и размерам, требования к стойкости компонентов к повышенной радиации, а также параметры поведения веществ в условиях космического пространства.
Главный конструктор проекта «Экран-М», заведующий лабораторией ИФП СО РАН Александр Никифоров подчеркнул, что основная цель ученых — выяснить, насколько эффективен процесс роста эпитаксиальных слоев на орбите по сравнению с Землей. Также в рамках данного проекта будет проведена отработка оборудования в различных режимах и анализ свойств синтезированных материалов.
Заместитель руководителя научно-технического центра РКК «Энергия» имени Королева Дмитрий Сурин уверен, что создание на околоземной орбите чистых полупроводниковых пленок методом МЛЭ — это перспективное и коммерчески востребованное направление пилотируемой космонавтики. Этот проект имеет значение как для фундаментальной науки, так и для технологий — с прицелом на дальнейшее производство полупроводников на орбите. Оно может стать крайне важным для поддержания технологического суверенитета России. Эксперименты должны продолжаться и после предполагаемого старта Российской орбитальной станции (РОС).
