Космическая технология и производство

Полупроводниковые материалы

Полупроводники — вещества, которые обладают электронной проводимостью, а по величине электропроводности занимают промежуточное положение между хорошими проводниками (металлы) и изоляторами (диэлектрики). Типичными полупроводниками являются, например, германий и кремний. Величина электропроводности полупроводников сильно зависит от температуры. Под действием света электропроводность некоторых полупроводников повышается; такие материалы иногда называются фотопроводниками. Свойства полупроводников очень чувствительны также к совершенству их кристаллической решетки и к наличию примесей. В некоторых случаях присутствие примеси в самой малой концентрации (например, 10^–6 или 10^–7) оказывается решающим фактором, который определяет электрические свойства полупроводника[9]. Эти уникальные качества полупроводниковых материалов обеспечили самое широкое их использование практически во всех областях науки и техники.

Производство полупроводниковых материалов в космосе может дать заметные преимущества по нескольким причинам. Во-первых, свойства этих материалов сильно зависят от технологии их приготовления, причем многие нежелательные эффекты вызваны проявлением силы веса (конвекция в расплаве, расслоение компонентов разной плотности и т. п.). Во-вторых, в космических условиях может быть значительно повышена однородность распределения легирующей примеси в полупроводнике.

Перейдем к рассмотрению конкретных технологических экспериментов, направленных на реализацию указанных преимуществ производства в космосе полупроводниковых материалов.

Выращивание монокристаллов из расплавов. Дефекты полупроводниковых монокристаллов при их выращивании из расплава возникают из-за появления в расплаве конвекционных течений разного типа, а также из-за поступления в него нежелательных примесей. Для выращивания монокристалла из расплава необходим перепад температуры, а при этом на Земле часто возникает термическая конвекция. Конвекционные течения ведут к появлению местных пульсаций температуры в жидкости, а за счет того, что растворимость примеси в расплаве зависит от температуры, — и к неоднородному распределению примеси в растущем кристалле. Это явление, обусловленное конвекцией, называется полосчатостью, или микросегрегацией. Полосчатость является одним из дефектов структуры полупроводниковых монокристаллов. Благодаря возможности уменьшить роль конвекции в космосе ожидают, что монокристаллы, выращиваемые на борту КА, будут обладать более однородной структурой.

Для оценки влияния конвекционных течений на явление сегрегации на примере монокристаллов германия, легированного примесями, на станции «Скайлэб» был поставлен такой эксперимент. Установленные в ампулах кристаллы размещались в электронагревательной печи, где они сначала частично расплавлялись, а затем в условиях почти постоянного перепада температур остывали и закристаллизовывались. В качестве легирующих примесей в разных ампулах использовались галлий, сурьма и бор. Сравнение с контрольными образцами, полученными тем же способом на Земле, показало, что сегрегация примесей в кристаллах германия, доставленных из космоса, оказалась в несколько раз меньше. В случае германия, легированного галлием, исследована также относительная однородность удельного сопротивления материала по длине образца. Для земных образцов она составляла Δρ/ρ ≈ 6,4 · 10^–2, а для космических — 0,8 · 10^–2.

Процесс кристаллизации германия, легированного галлием, исследовался также при запуске советской высотной ракеты в декабре 1976 г. В этом эксперименте для разогрева образцов использовался экзотермический источник тепла. Исследование ампул, доставленных на Землю, показало, что фронт плавления имел достаточно плоскую форму. Этот результат подтвердил перспективность использования приборов подобного типа в. экспериментах по получению полупроводниковых материалов.

В других экспериментах на станции «Скайлэб» были получены монокристаллы антимонида индия. В первом из них стержень из антимонида индия устанавливался внутри графитовой капсулы таким образом, чтобы его свободный конец оказывался в полой полусфере. Цель эксперимента — попытка получить кристаллы сферической формы. Однако из-за того, что расплав частично прилип к графитовой стенке полости, форма полученных кристаллов оказалась не сферической, а каплеобразной. Однако структура кристаллов стала более совершенной: плотность дислокаций[10] уменьшилась в 5 — 10 раз, а примесь (селен) была распределена более равномерно, чем в контрольных образцах, полученных на Земле.

Другой эксперимент заключался в переплавке и последующем затвердевании образцов антимонида индия, находящихся в трех запаянных ампулах: в одной — чистый антимонид индия, в другой — легированный теллуром, в третьей — легированный оловом. Исследования полученных кристаллов также показали их высокую однородность.

В ряде экспериментов исследовалась возможность получения из расплавов полупроводниковых материалов состоящих из сильно различающихся по удельному весу компонентов. Например, в одном эксперименте, выполнявшемся при совместном полете кораблей «Союз» и «Аполлон», исследовалось влияние невесомости на направленное затвердевание полупроводниковых материалов. Использовались пары свинец—цинк и сурьма—алюминий. Космические образцы сплава сурьма—алюминий оказались более однородными по сравнению с земными. В случае сплава свинец—цинк полной однородности достигнуть не удалось.

Выращивание монокристаллов из растворов. Если в пересыщенный раствор нужного вещества ввести затравочный кристаллик, то на нем будет происходить рост кристалла в условиях постоянной температуры. Таким методом выращивают кристаллы, находящие применение в качестве детекторов звуковых волн, в оптике и т. д. Растущий кристалл чутко реагирует на любые изменения условий роста: колебания температуры и концентрации, возникновение конвекционных течений, наличие инородных примесей и т. п. Изменение условий возбуждения конвекционных течений в растворе, иное поведение примесей в невесомости будут влиять на особенности роста кристаллов на борту космических аппаратов.

Результаты экспериментального исследования особенностей выращивания кристаллов алюмокалиевых квасцов из их пересыщенного водного раствора, которое было проведено на станции «Салют-5», изложены в предыдущей главе.

Выращивание кристаллов из паровой фазы. Выращивание кристаллов парофазовым методом широко используется для получения зпитаксиальных пленок полупроводниковых материалов. Принципиальная схема устройства для выращивания кристаллов из паровой фазы была показана на рис. 5. В обычных условиях метод чувствителен к возбуждению конвекции, которая ведет к возникновению дефектов кристаллической решетки. Кроме того, существует тенденция к поликристаллизации, большие кристаллы этим (методом на Земле получать трудно. В космических условиях можно рассчитывать на ограничение роли конвекции и улучшение качества получаемых материалов, а также на увеличение размеров монокристаллов.

Ожидаемые эффекты были также исследованы в эксперименте на станции «Скайлэб». Техника выращивания кристаллов из паровой фазы была применена к селениду и теллуриду германия. Были получены кристаллы, качество которых оказалось выше, чем у контрольных образцов, приготовленных на Земле. Удалось получить плоские монокристаллы селенида германия размером 4 × 17 мм и толщиной около 0,1 мм. На Земле были получены лишь мелкие кристаллики с несовершенной структурой.

С учетом этих результатов при совместном полете кораблей «Союз» и «Аполлон» был поставлен такой эксперимент. Здесь техника выращивания кристаллов из паровой фазы была применена к более сложным системам: германий—селен—теллур и германий—сера—селен. Образцы, полученные в космических условиях, также оказались более совершенными, а их структура более однородной.