Científicos de Novosibirsk, desarrollan instalación para el desarrollo de semiconductores en el espacio
Novosibirsk, Novosibirsk, Rusia, Asia.- Científicos del Instituto Rzhanov de Física de Semiconductores SB RAS (ISP SB RAS) han desarrollado una instalación para la síntesis de materiales semiconductores en el espacio por encargo de Rocket and Space Corporation Energia. El proyecto Ekran-M está diseñado para aprovechar las ventajas del vacío espacial para crear semiconductores de alta pureza mediante epitaxia de haz molecular. Actualmente, este es el único programa de investigación de este tipo en el mundo. La instalación ha superado todas las pruebas previas al vuelo y se envió a la EEI el 12 de septiembre de 2025.
Los materiales semiconductores que requieren mayores requisitos se desarrollan mediante epitaxia de haz molecular (MBE). Capas atómicamente delgadas se apilan una sobre otra en ultra alto vacío para que el cristal semiconductor posea las propiedades requeridas; por ejemplo, que capture o emita luz en un rango determinado o que soporte un alto voltaje eléctrico, al cual se descomponen los materiales menos resistentes. Las instalaciones de MBE terrestres son grandes, costosas y difíciles de fabricar. ISP SB RAS es una de las pocas organizaciones en Rusia con la experiencia para fabricar este tipo de equipos.
La pureza del vacío en las instalaciones es tal que no habrá ni un solo átomo extraño por cada mil millones de átomos del material sintetizado. Para depositar cada elemento químico individual, se necesita su propia cámara de vacío para evitar contaminarlo con otros compuestos. Al mismo tiempo, es mucho más fácil alcanzar los parámetros de vacío requeridos en el espacio, ya que una sola cámara puede utilizarse para depositar todos los elementos. Así surgió la idea del proyecto Ekran-M: sintetizar compuestos semiconductores en órbita. Los especialistas del ISP SB RAS han creado desde cero una instalación de epitaxia de haz molecular «espacial», considerando las limitaciones: peso y dimensiones reducidas, resistencia a la radiación de los componentes y comportamiento inusual de la materia bajo la influencia de factores espaciales.
“El objetivo global de Ekran-M es estudiar la efectividad del proceso de crecimiento de la capa epitaxial en el espacio y cómo se aprovecharán las ventajas que ofrece el vacío espacial. El proyecto inicia la etapa inicial del desarrollo de la tecnología de epitaxia de haz molecular en el espacio: pruebas de equipos y análisis de las propiedades del material obtenido”, comentó Alexander Nikiforov, diseñador jefe del proyecto y jefe del laboratorio del ISP SB RAS.
RSC Energia destaca la importancia del proyecto para crear materiales semiconductores en el espacio mediante epitaxia de haz molecular como un paso importante hacia la soberanía tecnológica.
Nuevos datos sobre vuelos espaciales tripulados indican que la creación de películas semiconductoras puras en el espacio mediante epitaxia de haces moleculares es una dirección prometedora y con gran demanda comercial en el futuro. Como ingenieros, consideramos que este es un proyecto excepcional tanto para la tecnología como para la ciencia, así como para el desarrollo futuro de la producción en órbita. En la primera etapa del proyecto, se desarrollará un enfoque para crear una tecnología de síntesis de películas en órbita. Con base en los resultados obtenidos, será posible predecir los requisitos de producción. Si hablamos de la continuación a largo plazo del experimento, nos referiremos a la Estación Orbital Rusa (ROS). Creemos que es posible y necesario solicitar la continuación del experimento en ROS, declaró Dmitry Surin, subdirector del Centro Científico y Técnico de la Corporación Espacial y de Cohetes Energia, que lleva el nombre de S.P. Korolev (RSC Energia). Alexander Nikiforov habló sobre una nueva configuración para el crecimiento de semiconductores en el espacio, desarrollada en el ISP SB RAS: «Todos los elementos de la configuración se desarrollaron de nuevo: el calentador del sustrato, las fuentes moleculares y el mecanismo de transferencia del sustrato.
En las configuraciones terrestres convencionales, su diseño es diferente. Por ejemplo, una de las soluciones tecnológicas se refiere al diseño de la fuente molecular, de la cual se evapora el material necesario para el crecimiento de la oblea semiconductora. La fuente contiene un crisol en el que el material original, en nuestro caso, galio o arsénico, se funde (se convierte en líquido) y luego se evapora. En gravedad cero, el líquido se acumula en bolas y se desplaza por el espacio libre, abandonando el crisol y la zona de calentamiento, lo que impide que el cristal crezca sobre el sustrato. Por lo tanto, tuvimos que crear una membrana protectora con orificios muy pequeños, de aproximadamente 100 micras, sobre la fuente molecular. Debido a la tensión superficial, las gotas no atraviesan los orificios, pero el material se evapora. Así, el arsénico y el galio caen sobre el sustrato, formando una fina película cristalina de arseniuro de galio. sintetizado.”
La parte de crecimiento del sistema se fabricó en el taller experimental del ISP SB RAS. La unidad de control electrónico fue desarrollada y fabricada por NPF Electron LLC (Krasnoyarsk) según las especificaciones técnicas del instituto.
“En órbita, los cosmonautas deberán instalar el equipo, cargar un casete con seis sustratos y repetir esta operación al final del primer ciclo de crecimiento (se prevé que dure unas dos semanas). En total, se prevén dos ciclos de crecimiento”, explicó Konstantin Fritzler, diseñador jefe adjunto del proyecto e investigador del ISP SB RAS.
Por ahora, se probará en el espacio el proceso más sencillo: la homoepitaxia, es decir, el crecimiento de una película cristalina sobre un sustrato de la misma composición. En este caso, se sintetiza arseniuro de galio sobre un sustrato de arseniuro de galio. Este es uno de los semiconductores más populares y se utiliza en electrónica de potencia para la fabricación de láseres, fotodiodos y baterías solares.
El crecimiento epitaxial del arseniuro de galio ha sido ampliamente estudiado, por lo que se eligió como objeto modelo. La comparación de materiales semiconductores obtenidos en el espacio con los terrestres se realizará en el ISP SB RAS. Contamos con una amplia experiencia en el crecimiento y estudio de diversos materiales epitaxiales, incluido el arseniuro de galio. Disponemos de métodos de síntesis y análisis, y de equipos propios. Además, existe una gran cantidad de publicaciones extranjeras, por lo que la evaluación de las estructuras cultivadas en el espacio será lo más representativa posible, explicó Alexander Nikiforov.
En el futuro, la nueva información obtenida por los científicos podrá utilizarse para desplegar la producción de semiconductores en órbita. En particular, para obtener materiales fotosensibles para baterías solares. Su producción implica no solo la alta calidad (y, por lo tanto, condiciones de producción ultrapuras) de las materias primas sintetizadas, sino también el trabajo con compuestos tóxicos. En el espacio, estos últimos se eliminan automáticamente; salen de la cámara sin causar daños, a diferencia de lo que ocurre en la Tierra. La humanidad anhela el espacio, y la organización de la producción extraterrestre de materiales y productos necesarios para las actividades en órbita o durante los vuelos a otros planetas surgirá inevitablemente.
Nuestro experimento es uno de los primeros pasos en esta dirección. La experiencia única adquirida en el diseño de equipos tecnológicos espaciales y su funcionamiento en condiciones de vuelo orbital se utilizará para futuros desarrollos. Ya se está discutiendo con especialistas de RSC Energia sobre los próximos experimentos de crecimiento de películas de materiales semiconductores en el espacio, enfatizó Konstantin Fritzler. El proyecto Ekran-M forma parte del Programa a Largo Plazo de Trabajo Específico en la Estación Espacial Internacional (ISS), aprobado por la Corporación Estatal Roscosmos, en la sección «Experimentos e Investigación de Carácter Científico y Fundamental». Actualmente, no existen proyectos similares en el mundo. El trabajo en el campo de la epitaxia espacial comenzó en el Instituto de Física de Semiconductores en 1996 bajo la supervisión del doctor en Ciencias Físicas y Matemáticas, profesor Oleg Petrovich Pchelyakov. Mucho más tarde, se firmó el contrato técnico para el trabajo específico en el experimento espacial, destinado al desarrollo de equipo científico, ya en el marco del proyecto Ekran-M. Alexander Nikiforov se convirtió en el diseñador jefe y Oleg Pchelyakov en el director científico del proyecto.
