СТРУКТУРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ В КОСМИЧЕСКОМ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИИ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ КРИСТАЛЛОВ

© И.А.Прохоров, И.Л.Шульпина, Ю.А.Серебряков, Е.Н.Коробейникова, И.Ж.Безбах, В.Н.Власов
© Государственный музей истории космонавтики им. К.Э. Циолковского, г. Калуга
Секция "К.Э. Циолковский и проблемы космического производства"
2013 г.

В земных условиях гравитационные силы препятствуют получению материалов, однородных по распределению компонентов и фаз. Это проявляется в ликвации по весу, что ограничивает получение композиционных материалов по причине плохой смешиваемости компонентов. Сильная термогравитационная нестационарная конвекция приводит к нестабильности параметров роста кристаллов, и это ограничивает возможности получения кристаллов с высокой степенью однородности и совершенства структуры. Управляемые и автоматические космические аппараты (КА) позволяют обеспечивать условия длительной невесомости, когда ускорение силы тяжести составляет g ~ (10–5–10–6) g0, где g0 — ускорение силы тяжести на Земле. В этих условиях значительно уменьшаются вышеуказанные силы и снимаются или сильно снижаются соответствующие ограничения. Поэтому интерес к космосу как уникальной технологической среде очень велик. В частности, при выращивании кристаллов полупроводников в условиях микрогравитации при практически полном отсутствии термогравитационной конвекции может быть естественным образом реализован диффузионно-контролируемый режим роста, что позволяет надеяться на получение в высшей степени однородных кристаллов. Для характеризации таких кристаллов необходимо развитие адекватных методов контроля слабых концентрационных неоднородностей с высоким пространственным разрешением. Этим требованиям в наибольшей степени удовлетворяют рентгеноструктурные методы исследования. В частности, рентгенотопографические методы обладают высокой чувствительностью и пространственным разрешением, что позволяет получать комплексную информацию о взаимосвязи структурных и концентрационных неоднородностей в кристаллах. При этом использование плосковолновой рентгеновской топографии позволяет проводить количественные оценки малых (до 10–8) деформаций кристаллической решетки и, соответственно, незначительных вариаций состава кристаллов. Выявляемые неоднородности кристаллов отражают особенности тепломассопереноса вблизи фронта кристаллизации и являются основным источником информации об особенностях процесса кристаллизации и возмущающих эффектах различных внешних факторов. Использование топографических методов в сочетании с цифровой обработкой изображений даёт возможность проводить анализ существующих возмущений процесса кристаллизации по структурному отклику кристалла.

В докладе обобщается опыт применения наиболее чувствительных, главным образом, рентгеновских дифракционных и электрофизических методов для диагностики кристаллов, выращенных в различных условиях тепломассопереноса. На примере кристаллов Ge(Ga), GaSb(Si), GaSb(Te) показана высокая эффективность использования развитых методов для характеризации кристаллов, полученных в условиях ослабленной термогравитационной конвекции при физическом моделировании условий микрогравитации, а также выращенных по программе наземной подготовки полетных экспериментов и на борту автоматических КА «Фотон». Эти исследования служат основой совершенствования технологий получения кристаллов с заданной структурой и свойствами.