4.3 Физика
4.3.028 Гетероструктуры Алфёрова
Физик, инженер, лектор, педагог, общественный и государственный деятель; профессор ЛЭТИ, ЛПИ, ректор СПбГЭТУ; академик, председатель президиума СПб научного центра РАН, вице-президент АН СССР (РАН); член тридцати Национальных АН, научных сообществ; почетный доктор и профессор 40 отечественных и зарубежных научно-образовательных учреждений; глава научной школы; директор Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе; научный руководитель инновационного центра в Сколково; главный редактор журнала «Письма в Журнал технической физики»; кавалер орденов Октябрьской Революции, Ленина, «Знак Почета», Трудового Красного Знамени, «3a заслуги перед Отечеством» четырех степеней, а также многих других орденов и медалей СССР, России и других государств; лауреат Ленинской премии, Нобелевской премии по физике за 2000 г. (вместе с Г. Крёмером), премии Балантайна института Франклина (США) и других премий; народный депутат СССР, депутат ГД ФС РФ — Жорес Иванович Алфёров (род. 1930) является основоположником нового направления — физики гетероструктур, оптоэлектроники и электроники на их основе.
Здесь перечислена лишь часть забот и наград академика, но нас интересует в первую очередь главное научное достижение Ж.И. Алфёрова, за которое он был удостоен благодарности человечества и самых почетных премий, в т.ч. Нобелевской по физике (2000) — «за развитие полупроводниковых гетероструктур для высокоскоростной и оптоэлектроники».
Гетероструктурой в физике полупроводников называют выращенную на основном материале (подложке) слоистую структуру из различных полупроводников, отличающихся физико-энергетическими характеристиками материалов: шириной запрещенных зон, положением потолка валентной зоны и дна зоны проводимости. В месте контакта двух различных полупроводников формируется т.н. гетеропереход с повышенной концентрацией носителей, который, собственно, и используется затем в электронике.
Полупроводниковые гетероструктуры, полученные Алфёровым и его сотрудниками в результате фундаментальных исследований в области полупроводников, чрезвычайно интересные с научной точки зрения, нашли широчайшее применение в современной технике.
По одним только своим габаритам, они не идут ни в какое сравнение с традиционными радиосхемами. Слои полупроводников, имеющие толщину в несколько атомов, представляют собой крохотные кристаллики, рядом с которыми резисторы, конденсаторы, лампы выглядят мастодонтами. Скажем, размеры активного элемента полупроводникового лазера колеблются в диапазоне от 50 мкм до 1 мм.
Эти структуры идут для изготовления электронных устройств — лазерных диодов, на которых основана работа современных компьютеров, интернета, сотовой связи, лазерных компакт-дисков, устройств, декодирующих товарные ярлыки, лазерных указок, спутниковых антенн, систем космической связи.
На основе гетероструктур работают мощные светодиоды, используемые в светофорах, лампах тормозного освещения в автомобилях, дисплеях.
Появление гетерогенных структур привело к созданию производства солнечных батарей — основы будущей солнечной энергетики, которая, по мнению Алфёрова, «к концу XXI столетия, если не раньше, в значительной степени заменит атомные и тепловые электростанции».
Надо сказать, что это открытие первыми поспешили использовать зарубежные инженеры и предприниматели, но это не вина его авторов, а наша с вами беда.
Какова же история открытия?
В 1960-е гг. в мире возникла идея совершенствования полупроводниковой техники за счет гетеропереходов, которая какое-то время не поддавалась реализации.
Многочисленные попытки создания всевозможных приборов, работающих на этом принципе, заканчивались ничем только из-за того, что для результативного гетероперехода надо было найти идеальную гетеропару — что было сделать не легче, чем создать идеальную семью.
Доказав, что в гетероструктурах можно эффективно управлять световыми и электронными потоками, и применив в своих исследованиях специальную методику, позволявшую варьировать шириной запрещенной зоны, показателем преломления, величиной электронного сродства, эффективной массой носителей тока и др. параметрами полупроводника, Алфёров в результате многочисленных экспериментов, ежедневно длящихся у него до часа ночи, смог подобрать идеальную гетеропару: арсенид алюминия и арсенид галлия (AIAs/GaAs), а затем GaAs/AIGaAs, отличавшуюся большей стойкостью к окислению на воздухе.
Эти гетеропары вскоре обрели в мире электроники мировую известность.
На основе полученных гетеропар были созданы гетероструктуры, отвечавшие требованиям идеальной модели, и в 1969 г. сконструирован первый в мире полупроводниковый гетеролазер. Область применения лазеров поначалу была весьма ограниченной, поскольку они могли работать только при низких температурах, иногда не выше 20о К.
В 1970 г. на смену AIGaAs-системе Алфёровым и его сотрудниками были предложены соединения InGaAsP, позволившие создать более совершенные лазеры, нашедшие широкое применение в качестве источников излучения в волоконно-оптических линиях связи повышенной дальности.
В 1970-е гг. ученый разработал первые в мире технологии радиационно-стойких солнечных элементов на основе AIGaAs/GaAs-гетероструктур и организовал крупномасштабное производство гетероструктурных солнечных элементов для космических батарей.
Одна из них была установлена в 1986 г. на космической станции «Мир» и эффективно проработала на орбите весь положенный ей срок эксплуатации.
В 1993 г. в лаборатории Алфёрова были сконструированы полупроводниковые лазеры на основе структур с квантовыми точками — «искусственными атомами».
В 1995 г. ученый продемонстрировал инжекционный гетеролазер с использованием квантовых точек на подложках GaAs, работающий в непрерывном режиме при комнатной температуре, что резко повысило возможность его применения и тут же развязало руки создателям быстродействующих элементов электронной техники.
У такого лазера не оказалось конкурентов — он практически безынерционен, его к.п.д. превышает в несколько раз к.п.д. прочих лазеров, а длину волны можно изменять на любую другую.
Исследования Алфёрова позволили кардинально улучшить параметры большинства полупроводниковых приборов, создать для оптической и квантовой электроники широчайшие возможности ее совершенствования и заложить основы принципиально новой электроники на основе гетероструктур — т.н. «зонной инженерии».
Предположения ученого, высказанные им 15 лет назад, что «в XXI веке на основе квантовых точек будут созданы уникальные по свойствам лазеры и транзисторы, появятся совершенно новые приборы и, наверное, возникнет то, что сегодня предсказать невозможно», сбылись.
Следующим шагом в развитии гетероструктур стало применение новых способов обработки информации, когда, смоделировав процесс, можно стало создавать структуры, состоящие из цепочек атомов, имеющих уже не микро-, а наноразмеры (нанометр — одна миллиардная доля метра), и на смену микроэлектронике получить нанотехнологии.
P.S. В многочисленных интервью и публикациях Ж.И. Алфёрова, весьма озабоченного состоянием науки и образования в современной России, можно найти много жестких и поучительных высказываний.
«Если развалится образование, остановится наука, то прекратится и… «воспроизводство гениев». Наступит всеобщее мозговое затмение».
«Всегда полезно брать уроки у истории... Когда в 1921 году Рождественский, Иоффе и Крылов поехали в первую после Гражданской войны загранкомандировку закупать научное оборудование, а денег на это у государства не было, они обратились к Ленину и Луначарскому. И им выделили средства из золотого запаса. В Физико-технический институт поступили тогда 42 ящика с приборами, и по оснащению он стал одним из первых в мире. Чем не исторический урок для нынешнего российского руководства?» (http://www.novayagazeta.ru/).