Страница 18 из 22
Небольшой коллектив под руководством заведующего сектором В. М. Тучкевича, куда он попал сразу после института, решал очень важную задачу – создание первых отечественных германиевых диодов и триодов (транзисторов) с p-n-переходами.
Этот термин, это пространство, эта среда – p-n-переходы, и стали главным делом его жизни. «Открытие американскими физиками Д. Бардином и У. Браттейном в 1948 году транзисторного эффекта вызвало у физиков и радиоинженеров всего мира необычайный интерес. Эта работа и последовавшее затем создание p-n-переходов в монокристаллах германия и их теории стимулировали лавинное нарастание исследований по физике и технологии полупроводников, что в конечном счете привело к технической революции в области радиоэлектроники и электротехники, значение которой, по-видимому, ничуть не меньше, чем открытие ядерной энергии для энергетики, – писал Жорес Алферов в своей книге «Физика и жизнь». – Блестящий успех полупроводникам обеспечили уникальные физические свойства p-n-перехода – искусственно созданного в полупроводниковом монокристалле распределения примесей, при котором в одной части кристалла носителями отрицательного заряда являются электроны, а в другой носителями положительного заряда – квазичастицы, получившие название «дырок». Благодаря p-n-переходу в кристаллах удалось осуществить инжекцию электронов и дырок, а простая комбинация двух p-n-переходов позволила реализовать кристаллические усилители с высокими параметрами.
Гетеропереходы в полупроводниках – контакты двух различных по химическому составу полупроводников. В таком контакте происходит не только изменение ширины запрещенной зоны, меняются обычно и другие фундаментальные свойства: зонная структура, эффективные массы носителей тока, их подвижности, физико-химические и оптические свойства… В идеальном гетеропереходе на границе раздела перехода отсутствуют дефекты и граничные состояния. Комбинация нескольких гетеропереходов, p-n-переходов в одной монокристаллической структуре, обычно составляющей часть полупроводникового прибора, называется гетероструктурой».
В природе гетероструктур не существует, поэтому их называют кристаллами, сделанными человеком (man-made crystals), в отличие от гомоструктур, «созданных Богом» (God-made crystals).
В 1961 году Алферов защитил кандидатскую диссертацию, которая была посвящена однородным (гомо-) и состоящим из одного химического элемента полупроводникам – германию и кремнию. Однако в начале 1950-х годов Нина Горюнова и Анатолий Регель (и одновременно с ними Велькер в США) открыли полупроводниковые свойства соединения элементов третьей и пятой групп таблицы Менделеева, известных с тех пор как AIII BV. Вскоре появилась идея использовать неоднородные по составу (гетеро-) полупроводники.
Его друг в жизни и науке, товарищ по Физтеху, советский и российский физик, академик РАН Борис Захарченя в своём эссе «Небольшая сага о Жоресе Алферове», прекрасно описал атмосферу и вдохновение, царившие в лаборатории в то время: «После того как Жорес с командой своих сотрудников сделал первый лазер на гетеропереходе, он говорил мне: «Боря, я гетеропереходирую всю полупроводниковую микроэлектронику!»
Начинать пришлось с азов. Алферов попросил теоретика Рудольфа Казаринова прочесть ему лекцию о принципах работы лазера. В результате обсуждения ими 30 марта 1963 года была подана заявка на изобретение полупроводникового лазера на основе гетеропереходов, и в 1966 году было получено авторское свидетельство. Несмотря на простоту и прозрачность идеи, ее практическая реализация была сопряжена с очень большими трудностями.
«Первоначально наши попытки создать ДГС (двойную гетероструктуру) были связаны с решеточно-несогласованной системой галлий-мышьяк-фосфор. Мы успешно изготовили первые лазеры на основе ДГС в этой системе методом газофазной эпитаксии (ГФЭ). Однако из-за несоответствия параметров решетки лазерная генерация, как и в лазерах на гомопереходах, могла осуществляться только при температуре жидкого гелия», – вспоминал Жорес Иванович в нобелевской лекции в 2000 году.
Предстояло искать идеальную гетеропару. «Я хорошо помню эти поиски, – писал далее Борис Захарченя в своей «небольшой саге», – они отдаленно напоминали мне любимую мной в юности повесть Стефана Цвейга «Подвиги Магеллана». Когда я заходил к Алферову в его маленькую рабочую комнату, она вся была завалена рулонами миллиметровой бумаги, на которой неутомимый Жорес с утра до вечера чертил диаграммы в поисках сопрягающихся кристаллических решеток… Поиски были трудными. Более всего подходили полупроводники группы AIIIBV, представляющие собой химические соединения III и V групп таблицы Менделеева. Для идеального гетероперехода подходили арсенид галлия (GaAs – известнейшее в полупроводниковом мире соединение) и арсенид алюминия (AlAs), но последний мгновенно окислялся на воздухе, и о его использовании, казалось, не могло быть и речи. Однако природа щедра на неожиданные подарки…».
Группа Алфёрова (Дмитрий Третьяков, Дмитрий Гарбузов, Ефим Портной, Владимир Корольков и Вячеслав Андреев) несколько лет билась над поиском подходящего для реализации материала, пытаясь изготовить его самостоятельно, но нашли подходящий сложный трехкомпонентный полупроводник почти случайно в соседней лаборатории Н. А. Горюновой. Однако это была «неслучайная» случайность – поиск перспективных полупроводниковых соединений Нина Александровна Горюнова вела направленно, а в вышедшей в 1968 году монографии сформулировала идею «периодической системы полупроводниковых соединений».
Полупроводниковое соединение, созданное в ее лаборатории, обладало необходимой для генерации стабильностью, что определило успех «предприятия».
«И уже в 1968 году на одном из этажей «полимерного» корпуса Физтеха, где в эти годы располагалась лаборатория Тучкевича, вспыхнул (физики говорят «загенерил») первый в мире гетеролазер. А через два года Жорес Алферов и его сотрудники создали первый полупроводниковый гетеролазер, работающий в непрерывном режиме при комнатной температуре. Большой вклад в понимание электронных процессов в гетеролазерах внес теоретик Рудольф Казаринов, – пишет далее Захарченя. – Один из учеников Горюновой, Дмитрий Третьяков, работал непосредственно с Жоресом. Этот самый Дима сказал Жоресу, что неустойчивый сам по себе арсенид алюминия абсолютно устойчив в тройном соединении алюминий-галлий-арсеникум (AIGaAs) в так называемом твердом растворе. Свидетельством этому были давно выращенные Александром Борщевским, тоже учеником Горюновой, кристаллы этого твердого раствора, хранившиеся у него в столе уже несколько лет».
И далее соратник и очевидец вспоминает: «Первый лазер работал недолго – он быстро деградировал. Жорес признавался, что времени его работы хватило ровно настолько, чтобы измерить параметры, необходимые для написания статьи. Продление срока службы лазеров было делом довольно трудным, но оно было успешно решено усилиями физиков и технологов. Теперь обладатели плейеров с компакт-дисками имеют эти лазеры у себя дома и, я уверен, в большинстве своем не знают, что звуковая и видеоинформация считывается полупроводниковым гетеролазером, и тем более ничего не знают об истории его создания. Надо сказать, что такие лазеры используются во многих оптоэлектронных устройствах, но в первую очередь в волоконно-оптической связи».
«Наблюдая успех Жореса, я часто задумывался: «Что было бы, если бы первый гетеролазер создал не он, а кто-нибудь другой; смог бы этот человек с такой же стремительностью развить успех и удерживать высокий уровень исследований много лет?». Думаю, что такого дублера найти очень трудно…, – замечает Борис Захарченя. – Для меня главное в Жоресе – его любовь к науке, понимание ее красоты и умение видеть основное в замышляемом и свершенном. Найденная им гетеропара привела к созданию не только лазера и новых электронных приборов, но во многом стимулировала развитие так называемых молекулярно-лучевых эпитаксиальных технологий, с помощью которых создаются новые квантовые структуры, чьи свойства задаются человеком. Такие структуры называются квантовыми ямами, квантовыми проволоками и квантовыми точками. Эти объекты определили не только прогресс современной микроэлектроники, но родили новую область физики – исследование квантоворазмерных структур, созданных человеком».