Знание-сила, 2000 № 12 (882) - [26]
Российский курьер
Нобелевская премия 2000 года по физике присуждена академику Жоресу Ивановичу Алферову за исследования физики гетеропереходов, которые привели к созданию новых приборов микроэлектроники, высокочастотной техники и оптоэлектроники. Одновременно она присуждена Г. Кремеру из Калифорнийского университета и Дж. Килби из фирмы Texas Instruments.
Знание – сила, или Как понимание физики изменяет жизнь людей
Интервью с профессором Александром Юновичем (физический факультет МГУ имени М. В. Ломоносова)
Для понимания сути открытия, сделанного Ж.И. Алферовым, мы обратимся к истории.
Германиевые, а потом и кремниевые диоды и транзисторы были созданы на основе р-n-переходов, то есть границ областей с электронным (n-) и дырочным (р-) типом проводимости, созданных водном и том же полупроводнике путем внесения разных примесей. Ток через эти границы определяется проникновением носителей токов обоих знаков: электронов из n-области в p-область и дырок из p-области в п-область. Выделяемая при этом энергия превращается в германии и кремнии главным образом в тепло.
Законы протекания тока в р-n- переходах были поняты в конце сороковых годов; они стали основой изобретения транзистора (Нобелевская премия В. Шокли, Дж. Бардина, У. Браттейна). Исследователи предсказали открытию и прибору большое будущее и не ошиблись. Сегодня это вычислительная техника, связь, электротехника, автоматизация производства и информационные технологии, то есть все то, что определяет высокую производительность труда, а в конечном счете – экономическое развитие человеческого общества.
По мере развития физики полупроводниковых материалов появилась возможность создать в полупроводнике неоднородность иного вида – неоднородность состава. Границу между двумя полупроводниками с разным составом называют гетеропереходом, то есть неоднородным (по составу) переходом. В такой ситуации потенциальные барьеры для электронов и дырок в гетеропереходах отличаются друг от друга, и при приложении внешнего напряжения ток может определяться проникновением через границу частиц только одного знака, например, электронов.
Реализовать эти эффекты и их следствия удалось прежде всего в полупроводниках на основе соединений элементов III и V групп, например, в арсенида галлия, GaAs. В этих полупроводниках при рекомбинации возбужденных электронно-дырочных пар энергия возбуждения передается в основном квантам света – происходит излучательная рекомбинация. Поэтому развитие физики и технологии гетеропереходов оказалось наиболее важным для приборов оптоэлектроники – для светодиодов, полупроводниковых лазеров и фотоприемников.
Первые патенты на гетеропереходы был получены тем же В. Шокли, а затем Г. Кремером, которые исследовали эту ситуацию в пятидесятые годы теоретически. В начале шестидестых годов в Физико- техническом институте имени А.Ф. Иоффе (ФТИ) была выпущена монография Н.Н. Губанова по теории гетеропереходов. Тогда многие полагали, что физика гетеропереходов останется на уровне идей, что реализовать работающие гетеропереходы не удастся, потому что на границе двух полупроводников с разным составом будет сильно искажаться решетка, будут накапливаться примеси и не будет осуществляться одностороннее проникновение носителей тока через переход.
Тем не менее Ж.И. Алферов начал исследования гетеропереходов на основе соединений элементов III и V групп. Первые попытки оказались неудачными. Тогда были поставлены исследования гетеропереходов системы GaAs- GaAlAs. В этой системе на границе намного меньше искажения ионной решетки, от правильности которой зависит эффективность работы приборов. Была разработана технология выращивания из жидкой фазы, и удалось вырастить идеальные гетеропереходы этой системы. Из них оказалось возможным сделать и полупроводниковые лазеры, и светодиоды. Эти исследования были выполнены на два-три года раньше соответствующих американских и европейских работ (японские исследователи тогда еще не лидировали в научно-технической гонке).
На основе работ группы Ж.И. Алферова были сделаны полупроводниковые лазеры, работающие при комнатной температуре в режиме постоянного тока, сначала инфракрасные, потом красные. Это определило широту их применения. Важный результат научных исследований: было показано, что рекомбинация в этих структурах идет в основном как излучательная. Отсюда следовало, что на их основе могут быть созданы эффективные светодиоды и лазеры.
В начале семидесятых годов ФТИ, в котором работал Ж.И. Алферов, направил его на стажировку в США, в Иллинойский университет, в лабораторию профессора Ника Холоньяка. Он происходил из семьи, эмигрировавшей в Америку с Украины в двадцатых годах, читал научную литературу по-русски и знал работы Алферова. В это время ученые из фирмы «Белл» также сделали гетеропереходы на основе арсенида галлия, и их работы были представлены на золотую медаль Американского физического общества. Заявка попала на отзыв Н. Холоньяку, который написал, что все это очень хорошо, но такие переходы сделал на два-три года раньше Алферов. И медаль была присуждена Ж.И. Алферову. Это признание, по-видимому, оказалось потом очень важным для доказательства его приоритета в Нобелевском комитете.
