ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ КОСМИЧЕСКИХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ ПО РОСТУ КРИСТАЛЛОВ ДЛЯ РАЗВИТИЯ НАЗЕМНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ КОСМИЧЕСКИХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ ПО РОСТУ КРИСТАЛЛОВ ДЛЯ РАЗВИТИЯ НАЗЕМНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

© И.А.Прохоров, Е.Н.Коробейникова, И.Л.Шульпина
© Государственный музей истории космонавтики им. К.Э. Циолковского, г. Калуга
Секция "К.Э. Циолковский и проблемы космического производства"
2017 г.

Получение совершенных по структуре высокооднородных монокристаллов полупроводников является одной из важнейших задач физического материаловедения. Однако её решение сопряжено с трудностями, обусловленными многообразием факторов, влияющих на рост и структуру кристаллов. В частности, интенсивная конвекция в расплавах приводит к нестабильности параметров роста и формированию неоднородностей распределения примеси.

Важность проблемы получения высокосовершенных однородных кристаллов инициировала интенсивные исследования процессов, ответственных за формирование неоднородностей в кристаллах. Они стали центральной частью экспериментов по росту кристаллов в условиях микрогравитации. Уже первые эксперименты по росту кристаллов в космосе убедительно продемонстрировали возможность существенного улучшения микрооднородности кристаллов. Однако дальнейшие исследования (более 800 экспериментов только в России) показали, что специфические факторы орбитального полета (остаточные квазистационарные микроускорения, вибрации, сложный характер изменения малых массовых сил) влияют на ход процесса кристаллизации, значительно усложняя возможность получения однородных и совершенных кристаллов. По совокупности требуемых параметров и по воспроизводимости результатов полётные кристаллы уступают образцам, выращиваемым по передовым земным технологиям [1]. По этой причине и из-за высокой стоимости космических экспериментов (КЭ) к настоящему времени интенсивность их проведения значительно снизилась. Завершилась грандиозная программа исследований на автоматических космических аппаратах «Фотон», застопорилась реализация программы таких работ на Международной космической станции.

Однако новые фундаментальные знания и опыт, приобретенный при подготовке и проведении КЭ по росту кристаллов, уже оказали существенное влияние на развитие наземных технологий. Полученные результаты стимулировали развитие численных методов моделирования гидродинамики и процессов тепломассопереноса при кристаллизации расплавов, позволяющих прогнозировать результаты будущих экспериментов. Получили развитие подходы, обеспечивающие создание условий ослабленной стационарной конвекции в расплаве. Прежде всего, следует отметить исследования процесса кристаллизации полупроводниковых материалов вертикальным методом Бриджмена с потоком тепла сверху от расплава к затравке. Использование ампул определённой конструкции и тщательно подобранных тепловых режимов позволяет создать стационарные ламинарные течения в расплаве. В результате значительно уменьшаются пульсации температуры в расплаве, стабилизируется величина пограничного слоя и повышается макро- и микрооднородность распределения легирующей примеси. Это было продемонстрировано в экспериментах по выращиванию кристаллов Ge(Ga), GaSb(Si) и GaSb(Te) в условиях ослабленной термогравитационной конвекции и отсутствия конвекции Марангони с использованием ростовых установок – аналогов полётного оборудования. По своей однородности на микроуровне выращенные кристаллы приближаются к кристаллам, выращенным в космосе. Характеристики термофотоэлектрических преобразователей (ТФЭП), изготовленных с использованием выращенных кристаллов GaSb(Te), превосходят характеристики ТФЭП, полученных при использовании менее однородных кристаллов [2].

Основываясь на опыте подготовки и проведения КЭ, в настоящее время разрабатывается новое поколение ростового оборудования, обеспечивающее реализацию оптимальных условий роста кристаллов. Совершенствуются существующие методы кристаллизации с прецизионным управлением параметрами роста.

При анализе КЭ существенное развитие получили методы характеризации структурных и концентрационных неоднородностей в кристаллах, основанные на цифровой обработке рентгентопографических изображений полос роста [3, 4]. Получаемые из них данные являются в настоящее время основным источником информации о различных возмущениях процесса кристаллизации. Использование этих методов позволяет оптимизировать условия получения высокооднородных кристаллов.

Литература

1. В.И. Стрелов, И.П. Куранова, Б.Г. Захаров, А.Э. Волошин. Кристаллография, 2014, т. 59, № 6, с. 863.

2. Ю.А. Серебряков, В.С. Сидоров, И.А. Прохоров, Е.Н. Коробейникова и др. Поверхность. Рентген., синхротр. и нейтрон. исслед. 2014. № 7. с. 49.

3. И.Л. Шульпина, Б.Г. Захаров, Р.В. Парфеньев, И.И. Фарбштейн, Ю.А. Серебряков, И.А. Прохоров. ФТТ, т. 54, № 7, с. 1264.

4. I.L. Shul´pina, I.A. Prokhorov, Yu.A. Serebryakov, I.Zh. Bezbakh.

IUCrJ, 2016, 3, p. 200.