"Наука в Сибири"

ГЕТЕРОПЕРЕХОДЫ ЖОРЕСА АЛФЕРОВА

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.

А.Асеев,директор Института физики полупроводников СО РАН, член-корреспондент РАН.

В.Шумский,главный научный сотрудник, доктор физико-математических наук, лауреат Государственной премии.