Алферов: От транзистора до квантовых точек

Российский физик, академик Жорес Алферов, по решению Нобелевского комитета удостоен премии за "Работы по получению полупроводниковых структур, которые могут быть использованы для сверхбыстрых компьютеров".

— Жорес Иванович, после вручения Вам 10 декабря 2000 года диплома и медали Нобелевского лауреата в области физики Вы себя героем ощущаете?

— Нет, не героем, но надеюсь, что Нобелевская премия поможет бороться за российскую науку.

Понимаете, когда я в 40 лет получил очень высокую научную награду — Золотую медаль Франклиновского института, то радовался больше.

— Уже 50 лет Вы занимаетесь полупроводниками, принимали участие в создании первых отечественных транзисторов, фотодиодов, мощных германиевых выпрямителей. Намного ли тогда мы отставали от американцев в этих исследованиях?

— Тут нужно понимать следующую вещь. Я думаю, что мы, в силу самых разных причин, не смогли сконцентрировать достаточно большие усилия на полупроводниковой электронике и, позднее, на микроэлектронике. Хотя этому направлению уделялось много внимания, и на уровне правительства в том числе. Но нужно было больше. Наверное, тогда не поняли до конца, что этому направлению нужно было отдать такой же приоритет, как и атомной проблеме и нашей ракетной программе.

Ленинградский Физтех в 1953 году, когда я попал туда работать, по нынешним меркам, был небольшим институтом. Я, например, получил пропуск № 429. Большинство знаменитых физтеховцев уехало в Москву к Игорю Васильевичу Курчатову и в другие вновь создаваемые "атомные" центры: Арзамас-16, ИТЭФ и т.д. И, я думаю, тогда не было понято до конца, какая произошла величайшая техническая революция. Отставание от американцев, конечно, было. Но оно было достаточно формальным. В 1947 году американцы продемонстрировали транзисторный эффект на точечном транзисторе. Это было важно как принцип. Транзистор с p-n-переходами появился в 1949 году, но фактически была тоже продемонстрирована только принципиальная возможность использования данного эффекта. Сообщение о способе, который годился уже для промышленного производства транзисторов, американцы опубликовали в ноябре 1952 года, а 5 марта 1953 года я сделал первый отечественный транзистор, который хорошо работал.

— И тем не менее, постепенно отечественным ученым удалось создать собственную уникальную школу физики полупроводников…

— Вообще, в физике полупроводников заслуги отечественной науки неоспоримы. Мало того, физика полупроводников — это прежде всего отечественная наука. Абрам Федорович Иоффе был пионером полупроводниковой науки. И в Физтехе в 30-е годы создавались пионерские работы, заложившие фундамент в этой области науки. Джон Бардин, один из знаменитой троицы Бардин — Шокли — Браттейн, — думаю, даже первый из них — создателей первого транзистора в 1947 году, заявил еще в 1960 году на международном конгрессе в Праге: наука интернациональна, физика полупроводников — тоже; она была создана в трех странах: Вильсоном и Моттом в Великобритании, Вагнером и Шоттки в Германии, Иоффе и Френкелем в СССР.

И действительно: туннельный эффект в полупроводниках — работа А. Иоффе и Я. Френкеля 1931 года; собственная и примесная проводимость полупроводников — фундаментальнейшая вещь! — Владимир Пантелеймонович Жузе и Борис Васильевич Курчатов, брат Игоря Васильевича. Были классические работы Иоффе по фотоэффекту, думали и о создании твердотельных усилителей, но тогда не получилось. А потом, я уже говорил выше, обезлюдела в СССР физика полупроводников. С огромным уважением относясь к Абраму Федоровичу Иоффе, я все же думаю, что он не до конца отдавал себе отчет в том, что с созданием транзистора родился не просто новый полупроводниковый прибор, родилась новая полупроводниковая физика. И если бы он мог употребить на полную мощность весь свой авторитет на развитие этой отрасли знания, как это он сделал в 30-е годы в ядерной физике, мы бы имели совсем другие результаты сегодня.

— Во всем научном мире Вы известны как создатель и исследователь полупроводниковых гетероструктур. В чем их физическая суть?

— В 1961 году я защитил кандидатскую диссертацию, посвященную, в основном, разработке и исследованию мощных германиевых и, частично, кремниевых выпрямителей. На основе этих работ возникла отечественная силовая полупроводниковая электроника. С научной, чисто физической точки зрения, для меня был очень важным полученный мной вывод, что в полупроводниковых гомоструктурах ток в пропускном направлении определяется рекомбинацией в сильно легированных областях структур. А вклад рекомбинации в средней области гомоструктуры не является определяющим.

Поданная нами заявка на авторское свидетельство была по условиям того времени засекречена. Гриф секретности был снят лишь после публикации аналогичного предложения Кремером в США, но при сохранении грифа "Не подлежит публикации". Авторское свидетельство было опубликовано много лет спустя. В этом первом авторском свидетельстве содержалась лишь общая идея использования двойной гетероструктуры для снижения пороговой плотности тока лазеров и увеличения КПД при возможном повышении рабочих температур. Позже стало ясно, что гетероструктура дает возможность для получения практически любых концентраций инжектированных (внесенных) носителей заряда благодаря так называемому эффекту сверхинжекции.

Наконец, общие новые принципы управления электронными и световыми потоками в гетероструктураx (электронное и оптическое ограничения и особенности инжекции) я сформулировал лишь в 1966 году и, чтобы избежать засекречивания, в названии статьи говорил, прежде всего, о выпрямителях, а не о лазерах.

Реализация главных преимуществ гетероструктур оказалась возможной только после получения гетероструктур типа AlxGa1-xAs. В этой работе мы всего лишь на один месяц опередили американских исследователей из IBM. В 1968—1969 гг. были практически реализованы все основные идеи управления электронными и световыми потоками в классических гетероструктурах на основе системы арсенид галлия — арсенид алюминия. Помимо принципиально важных фундаментальных результатов, удалось практически реализовать основные преимущества использования гетероструктур в полупроводниковых приборах: лазерах, светодиодах, солнечных батареях, динисторах и транзисторах... Важнейшим было, конечно, создание низкопороговых, работающих при комнатной температуре лазеров на предложенной нами еще в 1963 году двойной гетероструктуре (ДГС).

На основе гетероструктур создана новая область физики полупроводников с огромным прикладным значением. Из этого уже вышли волоконно-оптическая связь, считывание информации с лазерных дисков, хем-транзисторы, которые сегодня находятся внутри каждого сотового телефона, солнечные батареи... Нам принадлежит — и это признано во всем мире — пионерская роль в создании классических гетероструктур и лазеров на их основе.

Думаю, что начавшееся в конце 60-х годов соперничество между учеными СССР и США за достижение первыми непрерывного режима работы лазеров при комнатной температуре было редким примером в то время открытого соревнования лабораторий двух антагонистических великих держав. Мы выиграли это соревнование, опередив на месяц группу из Bell Telephone.

— А в чем было значение этих работ?

— Значение получения "непрерыва" в то время было, прежде всего, связано с тем, что в это же время было создано оптическое волокно с малыми потерями. В итоге создание наших ДГС-лазеров привело к рождению и бурному развитию волоконно-оптических систем связи. В 1971 году эти работы были отмечены присуждением мне Золотой медали Франклиновского института в США.

Солнечные батареи на основе гетероструктур были созданы нами уже в 1970 году. А когда американцы публиковали первые работы, наши батареи уже летали на спутниках и было развернуто их промышленное производство. Блестяще доказаны их преимущества в космосе. И хотя прогнозы резкого снижения стоимости одного ватта электрической мощности на основе полупроводниковых солнечных батарей пока не оправдались, в космосе самым эффективным источником энергии, безусловно, являются солнечные батареи.

Открылась интереснейшая область физики. Если делать двойную гетероструктуру с расстоянием между слоями сравнимой с длиной волны Де Бройля, то возникают уровни размерного квантования. Это, помимо всего прочего, экспериментальный объект для задач по квантовой механике. Дальнейшие исследования в этой области привели к системам с низкоразмерным электронным газом — так называемым квантовым ямам, потом — квантовым проволокам, сейчас мы занимаемся квантовыми точками.

Беседу вел Андрей Ваганов
Жорес Алферов,
лауреат Нобелевской премии, академик, вице-президент Российской Академии наук, председатель Санкт-Петербургского НЦ РАН