ГЕТЕРОПЕРЕХОДЫ ЖОРЕСА АЛФЕРОВА
А.Асеев,
директор Института
физики полупроводников СО РАН,
член-корреспондент РАН.
В.Шумский,
главный научный сотрудник,
доктор
физико-математических наук,
лауреат Государственной премии.
Известно, что Нобелевскими премиями отмечаются работы, которые
имеют основополагающее для науки значение, и знаменуют собой
прорыв в новую область знаний. Эти работы могут быть блестящими
по форме, носить почти парадоксальный характер, как открытие
дробного квантового эффекта Холла, если говорить о физике
твердого тела; могут открывать целое направление в одной из
областей науки, но все они -- в том или ином виде -- изменяют
жизнь человечества.
Работы Нобелевского лауреата 2000-го года Ж.Алферова, безусловно,
не только открыли новое направление в физике полупроводников --
физику гетеропереходов, не только воплотили научные разработки в
многочисленные приборы, но и стимулировали развитие смежных
областей науки и техники. Так, например, одной и, наверное, самой
важной причиной развития молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ),
конструирования и изготовления сверхвысоковакуумных установок для
МЛЭ явилась потребность в создании гетеропереходов в сверхчистых
условиях.
Исследованием физики гетеропереходов и разработкой приборов на их
основе занимались многочисленные коллективы ученых. Но
представляется, что влияние идей Ж.Алферова, работ, выполненных
под его руководством, было очень значительно.
Наука о гетеропереходах развивается более сорока лет. В этой
области работали и работают сотни научных коллективов, в том
числе -- Институт физики полупроводников СО РАН, поэтому
интересно проследить, как развивалась научная мысль.
Нам кажется, что в этом случае можно, немного изменив известное
изречение, сказать: "Жорес Иванович видел так далеко потому, что
стоял на плечах титанов". Действительно, Нобелевская премия,
присужденная Ж.Алферову, триумф не только советской науки, как
сказал сам лауреат, не только российской науки, но и
закономерного признания огромного вклада в мировую науку его
родного Физико-технического института им. А.Ф.Иоффе, одного из
старейших научных учреждений нашей страны. Имена А.Иоффе,
И.Тамма, Я.Френкеля, И.Курчатова, В.Тучкевича, А.Арсеньевой,
Д.Наследова, В.Жузе, И.Кикоина, М.Носкова, Б.Давыдова, А.Регеля,
Н.Горюновой и первооткрывательские их работы известны каждому
физику, работающему в области физики твердого тела.
Ученики А.Иоффе говорили, что Абрам Федорович считал одним из
основных принципов работы такой подход к физической проблеме,
который предполагал бы не только абстрактное изучение, но и ясное
видение перспективы технического применения. В Физико-техническом
институте всегда считали, что грань между прикладными и чисто
физическими исследованиями более чем условна, и постановка
конкретной проблемы стимулирует развитие физических представлений
и наоборот.
К исследованию гетеропереходов Ж.Алферов вместе с группой
сотрудников приступил в 1962 году. Но до этого времени он, без
малого десять лет (с момента окончания Ленинградского
электротехнического института), проработал в лаборатории
В.Тучкевича, который в ФТИ возглавил исследования в области
физики полупроводниковых приборов. При участии Жореса Ивановича
были разработаны первые советские транзисторы. Эти работы велись
и были успешно завершены одновременно еще несколькими группами, в
том числе, группой будущего академика А.Ржанова в Физическом
институте в Москве.
В 1954 году коллектив, в котором работал Ж.Алферов, создал
плоскостные фотодиоды, превосходившие зарубежные аналоги по
чувствительности и величине активной площади. В этом же году были
созданы первые отечественные силовые вентили на основе германия,
пропускавшие в прямом направлении ток силой в 500 ампер, в
разработку которых Ж.Алферов внес большой вклад. Приборы были
внедрены в производство. Но надо подчеркнуть, что создание
полупроводниковых приборов и доведение их до стадии внедрения
требовало не только глубокого проникновения в физику электронных
процессов, но и в физику технологичеких процессов. Жорес Иванович
в эти годы, как говорят его друзья и ученики, работал как физик,
как технолог, как инженер и приобрел неоценимый опыт.
За эти работы Ж.Алферов в 1959 году получил первую
правительственную награду и вскоре защитил кандидатскую
диссертацию.
И вот в 1962 году Ж.Алферов обращается к проблеме
гетеропереходов, исследованием которой он занимается до сих пор.
На тот момент ситуация с гетеропереходами была более менее
определенной. В широком смысле слова гетеропереходами -- как
контактами двух полупроводников с различной шириной запрещенной
зоны -- ученые занимались давно. В селеновых и меднозакисных
выпрямителях, изучение которых проводилось в 30-е годы,
выпрямление определялось наличием гетероперехода -- ГП. Но в те
времена, прямо по Мольеру, ученые не знали, что "говорят прозой",
то есть, имеют дело с гетеропереходами в привычном нам смысле
слова.
Поэтому принято считать, что изучение гетеропереходов началось с
работы американского физика Герберта Крёмера, тоже лауреата
Нобелевской премии по физике 2000 года, опубликовавшего в 1957
году теорию широкозонного эмиттера для транзистора. Крёмер
выдвинул идею относительно преимуществ р-п-переходов с переменной
шириной запрещенной зоны, заключающихся в увеличении инжекции и
управлении длиной диффузии неосновных носителей заряда из-за
возникновения "квазиэлектрических" полей в таких структурах.
Но самый мощный импульс к экспериментальному исследованию ГП дал,
пожалуй, другой американский физик -- Р.Андерсон, который в 1960
году предложил простую теорию ГП и разрыва зон на гетерогранице.
В его работах была развита модель идеального гетероперехода, а
также сообщалось о получении и исследовании свойств ГП Ge--GaAs
"германий--арсенид галлия". Эта гетеропара привлекла внимание
многих исследователей, среди которых был будущий Нобелевский
лауреат Л.Эсаки. Изучением этой гетеропары занимались и в нашем
институте.
В этой ситуации советский физик Алферов показал, что он обладает
удивительной научной интуицией. Он решил, что наиболее
перспективна для исследований и практического применения другая
система: AlAs--GaAs "арсенид аллюминия--арсенид галлия". Его
выбор был оптимален с физической, технологической и прикладной
точек зрения и этим самым он заложил прочный фундамент высокого
уровня своих исследований. Действительно, хорошее согласование
параметров кристаллических решеток и коэффициентов термического
расширения, а также изовалентность материалов позволяют избежать
интерфейсных (граничных) состояний и получать близкие к идеальным
ГП, для которых справедлива простая модель Андерсона. С другой
стороны, изотипность материалов исключает возможность
интердиффузии и перекрестного легирования и поэтому у
гетерограницы не возникают легированные области, искажающие
свойства идеального ГП. В то время в ФТИ существовала развитая
технология жидкофазной эпитаксии, которая очень хорошо
согласовывалась с физическими свойствами выбранных материалов.
И, наконец, для главной практической цели, которая заключалась в
разработке твердотельных лазеров, прямозонные твердые растворы
AlAs--GaAs (при содержании AlAs до 30%) подходили идеально.
Кстати, именно в ФТИ Д.Наследов и Б.Царенков показали возможность
применения р-п-переходов на основе монокристаллов А3В5 в качестве
источников когерентного излучения. Помимо этой, безусловно
приоритетной, работы в лаборатории под руководством Ж.Алферова
шло создание преобразователей солнечной энергии, фотоприемников,
силовых вентилей.
Забегая вперед, нужно сказать, что на основе именно AlAs--GaAs
были получены, в частности, так называемые HEMT транзисторы (high
electron mobility transistor -- транзисторы с высокой
подвижностью электронов), работающие в диапазоне СВЧ, и
низкоразмерные структуры, изучение которых продвинуло физику и
микроэлектронику в направлении наноэлектроники.
Однажды Жореса Ивановича спросили, что больше всего он ценит в
научном работнике. Он ответил: "Умение выбирать перспективное
направление исследований, смелость в этом выборе, терпение и
стойкость в работе при отсутствии быстрых успехов в ее
проведении". О его умении выбрать перспективное направление мы
уже говорили. Испытания его терпения и стойкости не заставили
себя ждать. Надежды ученых на скорое применение необычных свойств
гетероструктур сначала не оправдались, что породило пессимизм
многих исследователей, в том числе зарубежных. Сложилось мнение,
что дефекты и несовершенства реальных гетероструктур не дадут
реализовать теоретически предсказанные свойства. В это время
появляется работа Ж.Алферова с сотрудниками, в которой приведены
характеристики гетероперехода по свойствам близкого к идеальным,
что, как представляется, стало поворотным пунктом в развитии
исследований в этом направлении.
Поражают темпы, которыми шли исследования. Вот перечень только
основных работ.
1966 год: теоретическое рассмотрение инжекции в ГП совместно с
В.Халфиним и Р.Казариновым.
1967 год: предложение о создании выпрямителя на сверхвысокие
плотности тока на основе структур с гетеропереходами.
1968 год: получение ГП без интерфейсных состояний с эффективной
инжекцией и получение когерентного излучения. Реализация
суперинжекции и инверсной заселенности в ГП, когда концентрация
электронов в узкозонном материале -- GaAs на несколько порядков
больше концентрации доноров в широкозонном материале -- AlGaAs.
1969 год: создание эффективных фотоприемников.
1970 год: разработка высоковольтных и переключающих диодов с
S-образной характеристикой. Создание преобразователей солнечной
энергии с к.п.д. 10--11 % и повышенной температурной стойкостью.
Позже были созданы преобразователи с к.п.д. 22%, и солнечные
элементы подобного типа до сих пор "летают" на орбитальной
станции "Мир".
К семидесятому году относится и создание инжекционного лазера с
самой низкой пороговой плотностью тока для того времени,
способного работать в непрерывном режиме.
1971 год: твердотельный преобразователь ИК излучения в видимое с
пороговой мощностью до 0,01 микроватта и усилением световой
мощности в 100-1000 раз на основе 4-слойной структуры.
1973 год: фототранзистор с уникальной фоточувствительностью.
1979 год: преобразователи энергии солнечного концентрированного
излучения.
1984--1986 годы: разработка целой серии низкопороговых
инжекционных лазеров на основе двойных гетероструктур в системах
InGaAsP/GaAs, InGaAsP/GaAsP, InGaAsP--InGaP/GaAs, InGaAsP/InP для
разных спектральных диапазонов от 0,66 до 1,35 микрометра.
1987--1988 годы: низкопороговые квантоворазмерные лазеры с к.п.д.
до 60%.
1988 год: лазеры, полученные методом молекулярно-пучковой
эпитаксии и металло-органическим синтезом.
1990 год: лазеры на напряженных квантовых ямах.
1992 год: выращивание квантоворазмерных кластеров.
1996 год: создание инжекционных гетеролазеров на массивах
вертикально связанных квантовых точек.
Таким образом Ж.Алферовым были заложены основы полупроводниковой
электроники на гетероструктурах, наиболее динамично развивающейся
области микроэлектроники, и без преувеличения, приносящей свои
плоды всей современной цивилизации.
Физиком Алферовым выполнена серия блестящих работ по электронным
и оптическим ограничениям в полупроводниковых гетероструктурах,
что открыло возможность создания целых классов новых
полупроводниковых приборов. Таких, как гетеролазеры непрерывного
режима работы при комнатной температуре с низким порогом
генерации; высокоэфффективных светодиодов, фототранзисторов,
элементов высокоэффективных солнечных батарей, лазеров видимого и
ИК-диапазонов на четверных твердых растворах...
В последние годы область научных интересов Ж.Алферова
сфокусирована как на фундаментальных особенностях квантовых
свойств полупроводниковых систем пониженной размерности, так и на
опережающем развитии технологии их получения методом
молекулярно-лучевой эпитаксии. В этой области также получены
выдающиеся результаты, далеко опережающие лучшие мировые
достижения. В частности, созданы образцы полупроводниковых
лазеров с улучшенными параметрами по порогу генерации, длине
волны и потребляемой мощности за счет введения в активную область
так называемых квантовых точек, а по сути -- искусственных
атомов, представляющих собой упорядоченную систему островков
узкозонного полупроводника нанометровых размеров в широкозонной
матрице. Это достижение знаменует собой переход к электронике
21-го века -- наноэлектронике, которая по многим прогнозам
изменит жизнь человечества подобно тому, как изобретение
полупроводникового транзистора (Нобелевская премия Бардина,
Браттейна и Шокли), создание лазера (Нобелевская премия Н.Басова,
А.Прохорова и Ч.Таунса) и развитие электроники на гетеропереходах
(Нобелевская премия Ж.Алферова, Г.Крёмера и Д.Килби) изменили
облик уходящего века.
В 1971 году Ж.Алферов был избран членом Франклиновского
института, этим же институтом ему была присуждена золотая медаль
Стюарта Баллентайна, одна из самых престижных наград для ученого.
В 1972 году ему и коллективу, которым он руководил, была
присуждена Ленинская, а в 1984 году Государственная премия СССР.
Невозможно не упомянуть о яркой личности Ж.Алферова. Жорес
Иванович неоднократно бывал в Институте физики полупроводников СО
РАН и оказал на его деятельность огромное влияние. Об этом
свидетельствуют, в частности, доклады сотрудников нашего
института (И.Неизвестный, А.Асеев), представленные на недавней
Международной конференции по гетероструктурам в полупроводниках в
Санкт-Петербурге, посвященной 70-летнему юбилею теперь уже
Нобелевского лауреата.
Необходимо также упомянуть о поддержке Ж.Алферовым работ
института в развитии технологии молекулярно-лучевой эпитаксии,
которые позволили избежать опасного отставания России в области
полупроводниковой электроники от развитых стран (эти работы были
удостоены Государственных премий в 1993 и 1995 гг.).
Поистине бесценной в тяжелейших условиях последних лет явилась
поддержка со стороны организованной и руководимой Ж.Алферовым
программы Миннауки РФ "Физика твердотельных наноструктур",
благодаря которой оказалась возможной работа высокого уровня по
исследованию физических явлений в полупроводниковых
наноструктурах без массового выезда ведущих ученых за рубеж.
Хорошей школой для научных сотрудников всех возрастов стали
проводимые под его руководством ежегодные международные
конференции по физике и технологии наноструктур в Репино под
Санкт-Петербургом.
Наконец, ярким образом характеризует личность Ж.Алферова создание
им буквально год назад современного Научно-образовательного
центра при Физико-техническом институте, в который принимаются
школьники, начиная с 8-го класса, для углубленного изучения
физики.
Как депутат Государственной думы Ж.Алферов вносит огромный вклад
в обеспечение государственной поддержки российской науки в
сложное время реформ. Гражданская позиция Ж.Алферова выражается
также и в том внимании, которое он уделяет восстановлению
прерванных распадом СССР связей научного сообщества стран СНГ. В
частности, по его инициативе в этом году создана совместная
российско-украинская программа "Нанофизика и наноэлектроника",
финансируемая Министерствами наук РФ и Украины.
Нет сомнений, что блестящие достижения Ж.Алферова в такой
интереснейшей области, как физика полупроводников, повлекут за
собой дальнейшие значимые результаты его многочисленных учеников
и последователей.
стр.
| 
