Жорес Иванович Алферов и его вклад в науку
В 2000 году Жорес Алферов и два американских ученых Герберт Крёмер и Джек Килби получили Нобелевскую премию за достижения в электронике. Так уж получилось, что Нобелевский комитет поставил в один ряд создателей полупроводниковых гетероструктур (Алферова и Крёмера) и разработчика технологии производства микросхем (Килби). Хотя с научной точки зрения Алферов в СССР и Крёмер в США сделали более важные открытия, чем Килби, работавший над первыми микрочипами. Однако с Нобелевским комитетом не поспоришь, и Алферов получил лишь четвертую часть (поскольку половина премии отошла Килби) денежного вознаграждения.
О Нобелевской награде Жореса Алферова знают многие, но далеко не все имеют понятие о полупроводниковых гетероструктурах, развитие которых стало поводом для награждения ученого.
Что это такое и почему эти самые гетероструктуры имеют такое большое значение в современной технике, электронике и жизни?
Прежде чем начать разговор о гетероструктурах, необходимо вспомнить о двух вещах, которые, казалось бы, нисколько не связаны друг с другом, — лазерах и транзисторах. Теоретическое обоснование существования лазеров было сделано в конце 20-х годов прошлого века, а первые образцы транзисторов появились в 30-х годах. И тогда эти устройства не имели ничего общего, да и никто представить не мог, что между источниками когерентного излучения и полупроводниковыми приборами возникнет «родственная связь».
Первые стабильно работающие лазеры были построены в середине 50-х годов прошлого века, и тогда они представляли собой сложные лабораторные установки больших габаритов. В то же время начали создаваться промышленные образцы транзисторов — именно над этим и работал Жорес Алферов. Эти транзисторы проектировались на основе германия — одного из наиболее пригодных к практическому применению полупроводников.
Так при чем здесь транзисторы и лазеры? А при том, что
Алферов с начала 60-х годов начал работать над сложнейшей (и даже казавшейся в то время бесперспективной) проблемой получения полупроводниковых гетероструктур, а одним из результатов этой работы стала возможность создания совершенно новых приборов — компактных, стабильных и экономичных лазеров.
И не только лазеров. Здесь нужно внести ясность. Первые полупроводниковые приборы (транзисторы, тиристоры, диоды и т. д.) были построены на гомоструктурах: чистых и «загрязненных» особыми примесями кристаллах германия. Позже в практику вошел и кремний, который сейчас стал основным материалом почти для всех полупроводниковых микроэлектронных приборов (транзисторов, микросхем и т. д.). Но уже во время появления первых полупроводниковых устройств было выдвинуто предположение, что приборы на основе гетероструктур (систем из нескольких полупроводниковых материалов, особым образом соединенных друг с другом) будут работать гораздо лучше. Но полвека назад создание таких структур было практически невозможно. Жорес Алферов взялся решить эту задачу и к 1970 году блестяще с ней справился.
Интересно, что получение высококачественных полупроводниковых гетероструктур и сейчас — довольно трудная задача, решаемая с помощью сложных установок, в которых поддерживаются глубокий вакуум и абсолютная чистота. А сложность получения гетеро структур состоит в том, что для этого необходимо на основу (или подложку) из одного полупроводника нанести тончайший слой другого полупроводника. При этом верхний слой должен быть не сплошным, а представлять собой особый узор, в котором все размеры и расстояния между отдельными элементами выверены едва ли не до атома.
Жорес Алферов с сотрудниками пришел к выводу, что наилучшими материалами для гетероструктур станут известные полупроводники GaAs (арсенид галлия — соединение металла с мышьяком) и AlAs (арсенид алюминия). Однако второе вещество оказалось непригодным для использования из-за своих физических свойств — арсенид алюминия стал камнем преткновения, и ученым пришлось потратить немало сил на поиск адекватной замены. Ею стал полупроводник со сложной формулой AIGaAs, и теперь он вместе с арсенидом галлия составляет основу современной оптоэлектроники.
Естественно, что позднее были найдены и другие пары, и даже целые наборы полупроводниковых материалов, из которых сейчас создаются различные по характеристикам и назначению гетероструктуры. Среди этих полупроводников присутствуют соединения галлия, кремния, алюминия с мышьяком, фосфором, индием и другими элементами. Группа ученых под руководством Алферова также занималась поиском пригодных для создания гетероструктур полупроводников и добилась немалых успехов.
Разработанные Жоресом Алферовым технологии получения идеальных гетероструктур легли в основу оптоэлектроники и микроэлектроники.
Оказалось, что так можно создать компактные, буквально микроскопические лазеры с самым широким спектром излучения, транзисторы со строго заданным набором свойств и другие полупроводниковые устройства, которые обязательно найдут широкое применение на практике.
Кроме того, на основе гетероструктур создаются и приемники оптического излучения, обладающие высоким КПД и уникальными характеристиками. В частности, это солнечные элементы, применяющиеся на космических кораблях и на Земле, а также некоторые виды матриц для фотоаппаратов и приемники инфракрасного излучения (на них основаны, например, приборы ночного видения).
Обычному человеку может показаться, что работы ученого не так уж и значимы, но это глубокое заблуждение — Жорес Алферов создал основу для технологий оптической записи информации, волоконно-оптической связи, эффективных солнечных элементов, новых типов транзисторов и микросхем и много другого. Так что переоценить его вклад в науку и технику (а именно в электронику) невозможно.
Достижения Жореса Алферова были отмечены еще в 1971–1972 годах, когда ему вручили сразу несколько зарубежных и отечественных премий и наград, однако по-настоящему знаменитым ученый стал в 2000 году, когда получил Нобелевскую премию.
Тем более открытия Жореса Алферова нужно знать нам — поколению, чья жизнь в немалой степени зависит от электроники во всех ее проявлениях.
Дальнейшие исследования в области гетероструктурных полупроводников имеют широкий потенциал. С их помощью можно создать искусственные устройства со свойствами клетки, пригодные для использования в микроэлектронике. С этого начнется новая эра микроэлектроники, в которой работа приборов будет основана на принципах работы живых организмов.
Краткая биография
Жорес Иванович Алферов родился 15 марта 1930 года в Витебске (Белоруссия). Отец его, Иван Карпович, был убежденным коммунистом и занимал посты «красного директора» на предприятиях по всему СССР, поэтому семья постоянно перемещалась по стране.
В 1948 году будущий ученый с золотой медалью окончил школу и по совету учителя физики поступил в Ленинградский электротехнический институт (ЛЭТИ), который с отличием окончил в 1953-м. Уже тогда Алферов проявил немалые способности и был принят на работу в Физико-технический институт имени А. Ф. Иоффе (ФТИ им. Иоффе), в котором работает и сейчас.
Алферов участвовал в создании транзисторов, а с 1960-х годов занялся гетерогенными полупроводниковыми структурами, за что в 2000 году получил Нобелевскую премию по физике. По сути, Жорес Алферов стоял у истоков всей современной микро- и оптоэлектроники.
В 1961 году Жорес Иванович защитил кандидатскую диссертацию, в 1970-м стал доктором наук, в 1972-м — профессором ЛЭТИ, а в 1979-м — академиком АН СССР (позже — РАН). С 1987 года он был директором ФТИ им. Иоффе, а с 2003-го по 2006-й — научным руководителем. На данный момент Жорес Алферов занимает пост вице-президента РАН.
Несмотря на почтенный возраст, Жорес Алферов ведет активную научную, преподавательскую и общественную деятельность, работает в области полу проводников и наноструктур. Именно он возглавит отечественную Кремниевую долину в Сколково, которая станет современным научно-техническим комплексом и главным инновационным центром России.