Лазерный мир

Лекция, прочитанная в рамках проекта «ACADEMIA». Программа была в эфире 13 апреля 2010 года.

Роль полупроводников в современном мире (мобильные телефоны, лазеры, оптоволоконные сети, Интернет). Великие открытия фундаментальной физики, их история, актуальная роль и влияние на современное общество.

Стенограмма 2-ой лекции Жореса Ивановича Алферова, вышедшей в эфир на телеканале «Культура» в рамках проекта «ACADEMIA»:

Я пообещал, что в моей лекции о полупроводниковой революции я буду говорить не только о чисто научном, технологическом, но и о социальном значении, революция же всегда же приводит к социальным изменениям.

И в свое время на меня произвела огромное впечатление в 1982-ом году, у нас есть такая конференция Solid State Devices Conference – это традиционная конференция, которая всегда проходит в Японии по четным годам. И в 1982 году конференция в Токио была посвящена, естественно, проблемам микроэлектроники, которая уже в это время бурно развивалась. Среди докладчиков на этой конференции был профессор Зи, он китаец, работавший много лет на фирме «Беллтелефон», сейчас он работает на Тайване. Доклад его назывался, ну, как полагается «Проблемы субмикронной литографии». Естественно, научный доклад, потому что уже и в начале 1980-х годов, естественно, думали о том, как должна развиваться дальше микроэлектроника, и проблемы литографии субмикронной уже начинали играть важную роль. И вот в этом докладе он привел данные, которые прямого отношения к субмикронной литографии не имеют.
Вот на этом графике, который перед вами сейчас, это объем продаж электронной продукции в Соединенных Штатах Америки, начиная вот с 1930 года, ну, и по тем временам, 1982 год, начало 80-х, а дальше вот такое расширение – его предсказание, что было бы в 1990-ом году, дальше он не рассматривал.

Но вот, что очень существенно. Электронная промышленность в Соединенных Штатах Америки в это время уже была самой бурно развивающейся отраслью промышленности. Они развивалась, объемы продаж, есть характеристика развития, объемы продаж электронной промышленности намного перекрывали даже такую область, как полимерные материалы, которые развивались очень широко, намного перекрывали автомобильную промышленность. Средний рост объемов продаж электронной продукции США составлял в те годы 15% в год. А интегральные схемы, особенно на полевых транзисторах, вот, цифровые развивались со скоростью 25% в год, то есть это самая бурно развивающаяся область промышленности.

А потом он привел такой вот график, на который я вам советую посмотреть внимательно. Это изменения в составе, как менялась социальная структура Соединенных Штатов Америки, изменения состава рабочей силы США. Вот до примерно 1905 года самая многочисленная группа работающего населения в США была занята в сельском хозяйстве, то есть, можно сказать, что до 1905 года Соединенные Штаты были сельскохозяйственной страной.
Вот с 1905 по 1955, 50 лет Соединенные Штаты стали промышленной державой, индустриальной, поскольку наиболее многочисленная группа работающего населения была занята в промышленности, а в сельском хозяйстве падало все это. Зато после 1955 года Соединенные Штаты стали, как мы говорим, постиндустриальной державой, когда наиболее многочисленная группа работающего населения занята в получении, обработке и использовании информации. США стали информационным обществом.

И вот, начиная примерно с 70-х годов, эта группа работающего населения достигла 50% общей численности работающего населения. И с тех пор она практически не растет, хотя мы все говорим про информационную революцию, про огромный объем данных. Почему? Потому что появились компьютеры, потому что появились компьютеры, и компьютеры помогли справиться с этим информационным взрывом. А основа компьютеров – это, конечно, микроэлектроника, интегральные схемы, полупроводниковые гетероструктуры.

Естественно, что это меняет вообще систему организации технологического общества страны, систему, на основе чего организуется, развитие проектирование всего развития отраслей, и, можно сказать, что сегодня это то, что называется «Систем организейшн софтвей дизайн» – это то, что сегодня определяет на самом деле не только программное обеспечение компьютера как такового, определяет, на самом деле, систему развития экономики в целом.
Дальше появилось такое выражение «Закон Мура», слышали, наверное, его. Мур был одним из основателей компании «Интел». Вообще, вот так сегодня у нас появляются иногда всякие заявления о том, что у нас должна быть тоже Кремниевая долина, или я слышал, Кремлевская долина. Вот история Кремниевой долины Соединенных Штатов Америки – очень поучительная история. Моисеем Кремниевой долины был Вильям Шокли, он получил такой титул – Моисея американской Кремниевой долины.
Шокли был очень непростая вообще в человеческом плане личность. Скажем, последние годы своей жизни, будучи заведующим кафедрой, профессором Станфордского университета, он занялся такой областью, которая называется евгеника, слышали, наверное, про нее, да? Шокли, естественно, потерял сразу же в научном и, вообще, в культурном сообществе.

Из этой вот группы, которую создал Мелвин Келли «Беллтелефон», первым вообще уехал Джон Бардин. Он не мог работать под началом Шокли, Шокли прекрасный физик, но человеческие отношения были сложные, и он уехал в Иллинойский университет в 1951 году. Спустя какое-то время Шокли и сам уже не хотел оставаться на «Белл». А тут, понимаете, часто с учеными происходит эта трансформация, даже с такими умными, как Билл Шокли.

Когда ты создал что-то такое, что нашло крайне широкое применение, то начинаешь думать, что ты можешь вообще и бизнес возглавить в этой области. Я думаю, что суммарный мировой бизнес, который основан на использован полупроводниковых гетероструктур и конкретно именно тех, которые были созданы нами, и конкретно именно тех электронных компонент, которые были впервые созданы нами, сегодня, наверное, составляет, ну, где-нибудь, если говорить о непосредственном объеме продаж компонент, — превышает сотни миллиардов долларов. Если там учитывать еще массовое применение, он может подходить к триллионам. Но никогда в голову вашему покорному слуге не приходило, что я могу заниматься этим бизнесом. Наука – это наука, а бизнес — это бизнес.

И обычно ученые, когда начинают заниматься бизнесом, они перестают быть учеными, они теряют… очень часто не достигают никакого успеха в бизнесе, поскольку это тоже специфическая область человеческой деятельности, но теряют свою научную квалификацию, безусловно! И перестают быть учеными. Это произошло с Биллом Шокли. Он решил, что ах, эти транзисторы пошли, а тут может быть и миллионером я буду или еще… И он решил создать свою компанию «Шокли транзистор корпорейшнл» и решил создавать ее в Калифорнии. Место хорошее. А его туда пригласили профессором Станфордского университета. Из «Шокли транзистор корпорейшнл» ничего не получилось. Он привлек сначала, в том числе, и Роберта Нейла, он привлек поначалу много научных работник. Но бизнесмен был плохой.
Например, у Шокли в это время, голова его думала о pn-структурах, тиристорных, которые позже сыграли большую роль в силовой электронике. Но технология, уровень ее, разработки, рано было из этого дела извлекать некую , так сказать… А в то время, как нужно было развивать обычную транзисторную технологию, делать переключатели на транзисторах, технология была уже готова. Очень быстро возникли противоречия между Шокли и молодыми, в том числе, и его учениками, которые еще ничего особенно не сделав в науке, увлеклись бизнесом. «Шокли транзистор корпорейшнл» лопнула, но Шокли привел большую группу молодых талантливых инженеров и ученых в Калифорнию. Базировалась она на Станфордском университете, который, безусловно, мощный исследовательский и образовательный центр, а рядом Беркли, Пало-Альто, и поехали… Так что его можно назвать Моисеем Кремниевой долины, но при этом нужно четко понимать, какие при этом условия имеются для того, чтобы из Кремниевой долины что-то возникло позже.
Гордон Мур работал в «Fairchild Semiconductors» а потом был основателем «Интела», компании, которая сегодня определяет развитие микроэлектроники, сегодня можно говорить наноэлектроники в мире. И в 1965 году, если мне не изменяет память, он сформулировал сначала в шутку, на самом деле, «Закон Мура», что каждый год удваивается число компонента в кремниевой интегральной схеме
Вот здесь представлена левая часть этого Закона Мура по размерам электронных компонент. Видите, тут 10 в восьмой нанометров, десять в восьмой нанометров – это десять сантиметров. Вот это размер электронной лампы, вот, а дальше вот идет, и подходим мы к десяти нанометрам в ближайшем будущем.

Вот, кстати, Гордон Мур, вот, это число компонент. Первая транзисторная кремниевая схема была 2-3 транзистора, несколько цепочек. А уже в 1970 году это десять тысяч транзисторов. А сегодня это миллиарды транзисторов. И мы все время говорим, что закон Мура где-то должен перестать функционировать. И, действительно, когда мы приходим к размеру, ну, вот сегодня уже 45 промышленный выпуск микропроцессора, на 45 нанометров, 32 начинает осваиваться, где-то в ближайшем будущем – десять. Дальше, вообще говоря, где-то должно это кончиться.
Но закон Мура имеет еще и другую сторону. Когда вы увеличиваете число компоненты в кремниевой интегральной схеме, то у вас стоимость одного транзистора падает совершено гигантским точно также логарифмическим образом. А это мощный стимул, значит, стоимость одного транзистора, это можно говорить, одного переключения, падает, значит, становится более дешевыми на тот же объем работы в компьютере. А это для этой системы – основной движитель прибыли. Вот поэтому, все время говорят, когда же это все кончится?

Нужно сказать, что вообще научно-технологический бизнес по природе своей консервативен. Я приведу один очень простой пример. Первая электронная машина появилась в 1945 году, по-моему, в Пенсильвании. Джон Фон Нейман сыграл большую роль в ее создании. Там было около 18 тысяч электронных ламп, она потребляла 200 киловатт мощности, она занимала несколько таких комнат. А скорость ее была 5 тысяч бит в секунду. Это было колоссальное достижение. Она считала траекторию снаряда, выпущенного из пушки. Правда, шутили, что на расчет этот энергии затрачивалось примерно столько же, которую получали от взрыва этого снаряда.
А раз появилась, стала развиваться для военных целей, в первую очередь, бомбу делали. У нас в Институте физических проблем Лев Давидович Ландау руководил расчетами атомной бомбы, и тогда сидели девочки, считали на арифмометрах, кучу вычислений делали.. Потом появились у нас компьютеры, которые стали соревноваться и с американскими.
В 1949 году был выпущен прогноз американских специалистов о прогрессе электронно-вычислительной техники на 1955 год, что у нас будет 10 киловатт вместо 200, будет полторы тысячи ламп вместо 18 тысяч, и будут те же 5 тысяч бит в секунду. То есть, они считали только на ламповую электронику, хотя транзисторы уже были.

Поэтому Килби и говорит, что, когда появились кремниевые интегральные схемы, пробиваться было тяжело. Электронные инженеры и бизнесмены электронного бизнеса говорили: транзисторы хорошо, но ваши кремниевые схемы дорого, это бессмысленно, какое там, заменять емкости, сопротивления просто полупроводником. Так что, это всегда идет с таким большим трудом.

Но тут все-таки закон Мура означает каждые год-полтора, логарифмическая зависимость, экспонента, ну, когда-то должно остановиться. Какое реальное препятствие возникает? Вот, когда вы переходите на размер, исчисляемый действительно нанометрами, то переключение в транзисторе происходит за счет десятков электронов. И здесь статистика малых чисел начинает работать, и он будет ненадежным. Дальше идти нельзя, потому что, когда это все определяется десятью электронами – это уже ненадежная система.
Теперь, уже в нынешних интегральных схемах, вот здесь видно, что в этом случае он начинает расти выделяемая мощность в микропроцессоре. И вторая вещь, чрезвычайно важная, — уже в нынешних интегральных схемах межсоединение, сам по себе транзистор – о`кей, но их нужно соединить дорожками друг с другом, создавая схемы и прочее, межсоединения занимают в сегодняшних интегральных схемах 70% объема. И проблема межсоединений возникает, может быть, даже раньше, и поэтому мы переживаем сегодня тот период, когда закон Мура нужно, чтобы выполнялся, экономика требует этого и это очень важно, это дает огромные возможности. А как он может выполняться, когда десять нанометров, дальше не пойдем?

А дальше нужно искать варианты. Здесь возникли новые принципиально физические схемы – спинтроника, когда не носитель заряда, а спин, им управлять можно. Но это все еще исследования. Здесь вообще все происходит не так быстро. Пока еще на спинтронике ни одного компьютера мы не сделали. Говорится о том, что квантовые точки из гетероструктур тоже как-то и что-то… Но эти новые технологии, наверное, появятся. И трудно сказать, какая из них найдет реально широкое применение. Но не в ближайшем будущем.

Я вам могу сказать, как человек, который все-таки в этой области работает с 1950 года, в полупроводниках, а в полупроводниковой электронике – с январе 1953, когда мы делали первые советские транзисторы, я могу сказать, что в этой области для того, чтобы дело пошло, нужно на самом деле не само по себе физическое открытие.

Транзистор на арсениде галлия более эффективный, более быстродействующий, работает при более высокой температуре, чем транзистор на кремнии. Но вложены огромные деньги, триллионы и триллионы долларов в технологию кремниевой микроэлектроники, выпущено огромное количество технологических устройств, машин. Поэтому для того, чтобы вы сменили кремний даже на материал, который имеет значительные преимущества, они должны быть, ну, такими уж гигантскими, потому как менять, это нужно менять очень многое.

Поэтому и рождение новой даже перспективной технологии – спинтроники ли, квантовых точек ли, еще чего-то, это процесс и очень долгий. Поэтому ближайшее будущее по-прежнему будет связано с развитием кремниевой микроэлектроники для чипов, для микропроцессоров, с изменениями подхода к ним в вопросах межсоединений. Вот как растет мощность, вы подумайте: 130 ватт уже микропроцессор должен рассеять! Эти проблемы сегодня начинают играть большую роль.
А дальше второе направление гетероструктуры. Когда я только начинал свою лекцию, я сказал, что гетероструктуры – это man made crystals. Уже в первом транзисторном патенте Шокли в 1948 году им было предложение, чтобы улучшить зависимость коэффициента усилия от плотности тока, использовать гетеропереход, контакт с другим широкозонным полупроводником.

Широкозонный полупроводник в контакте, ну, скажем, арсенид галлия с германием, например, то электроны будут инжектироваться только из широкозонного полупроводника, это односторонняя инжекция. И эта односторонняя инжекция дает возможность ликвидировать зависимость коэффициента усиления в транзисторе от плотности тока. Это было у него в первом транзисторном патенте.

А эксперимент первый по односторонней инжекции был сделан в 1965 году нами. Смотрите, 17 лет прошло! Пока только в эксперименте удалось показать, что это возможно. Затем очень быстро мы показали, что в гетеропереходе возможен так называемый эффект сверхинжекции. Что из широкозонного полупроводника вы можете инжектировать неравновесные носители-заряды, электроны неограниченной концентрации, которые могут намного превышать равновесную концентрацию электронов в эмиттере. Если вся полупроводниковая электроника была построена на уровне легирования, чтобы много дырок инжектировалось из p-области, нам нужно засадить очень много высокую плотность акцепторов, и тогда они инжектируют дырки. А, если вы имеете разрывы в ширинах запрещенных зон, это и было нами показано еще в 1966 году, то вам, вы можете забыть про легирование, вы управлять потоками электронов можете иначе, задавая вот этот разрыв в зонах, вы можете инжектировать любую концентрацию. Это означает, что в лазере вы уже можете не пользоваться вырожденным pn-переходом, вы можете иметь невырожденный pn-переход, и все равно получите инверсную населенность.
Еще раньше, в середине 50-х годов Гербер Кремер, мой коллега по Нобелевской премии, показал, что в таком вот плавном гетеропереходе электронные дырки распространяются за счет электрического поля, а не градиента концентрации. Это вот тоже одно из явлений, которым можно управлять электронами в полупроводнике.

Наконец, в начале 1963 года сначала мы, я и Рудольф Федорович Казаринов, а потом и Кремер, спустя месяца 3-4, но он не знал нашего предложения, у нас сначала это авторское свидетельство сделали секретным, были там большие проблемы, как его рассекретить и прочее, это свои задачи. Но мы предложили лазер на так называемой двойной гетероструктуре. Вот два широкозонных полупроводника, между ними – узкозонный. Вовсе не нужно иметь вырожденного pn-перехода, вы за счет эффекта сверхинжекции можете синжектировать в среднюю область любую концентрацию неравновесных носителей заряда, а значит, вы можете создать инверсную населенность.
А кроме того, вот резкая граница широкозонный и узкозонный полупроводник – это еще изменения показателя преломления. В узкозонных материалах обычно оптическая плотность выше, поэтому такая двойная гетероструктура она, как мы говорили тогда, дает не только электронное, но и оптическое ограничение. Это она является световым волноводом. Поэтому потери и рекомбинационные в пассивных областях, и световые ничтожны. Отсюда следовал простой вывод: значит, в этом типе лазера потери должны быть намного меньше, значит, он, наверное, сможет генерировать когерентное излучение при комнатной температуре.

Леонид Вениаминович Келдыш, один из самых выдающихся физиков-теоретиков нашего времени. Он, скажем, предложил еще в 1962 году такие структуры, которые получили название «сверхрешетки». Когда вы меняете периодический потенциал в кристалле не так, как он меняется в самой кристаллической решетке, а на значительно большем расстоянии, и тогда у вас получается, по крайней мере, вот в одном из направлений новый кристалл, в котором другая постоянная решетка, а значит, другая ширина запрещенной зоны и масса других свойств становится иным.
Но дальше Леонид Вениаминович предложил как метод получения такого дела сильное ультразвуковое поле на поверхности кристалла, которое будет приводить к расщеплению вот на эти минизоны. Это неэффективный в практическом отношении способ.

Лио Исаки предложил другой способ гетероструктуры, менять ширину запрещенной зоны через 100-20 ангстрем и получать такую сверхрешетку. Это уже практический способ. А у нас, как говорится, это дело, ну, практический способ так он и сделал первым такие сверхрешетки, потом мы уже следовали его примеру, Исаки.

У гетероструктур масса достоинств. Масса! Вот это то, очень немногое, что я показал, электронное, оптическое ограничение, односторонняя инжекция, сверхинжекция. Дальше появляются низкоразмерные структуры. Но как бы это сделать? Вот. Мы начали это делать в 1963 году, как только возникла у меня идея лазера, а затем я развивал эту идеологию эффект сверхинжекции. А потом значит еще масса вещей. Лично для меня стало ясно, вообще, что гетероструктуры — основа развития микроэлектроники в значительной степени. Можно создавать массу новых приборов, и солнечные батареи, и сверхбыстрые транзисторы, и лазеры, и светодиоды, то, что сегодня широко и развивается. Но как это сделать?
В принципе, была совершено очевидна одна простая вещь – все это будет работать хорошо, если вы меняете химический состав, но при этом не меняете параметры решетки. Тогда все будет хорошо. А, с другой стороны, есть такая закономерность, ширина запрещенной зоны связана с параметром решетки. Значит, в принципе, мы замахиваемся на то, что не может быть в природе.

Но было уже тогда известно, что арсенид галлия и арсенид алюминия – два полупроводника различных, имеют разную ширину запрещенной зоны, арсенид алюминия больше двух электрон-вольт, а арсенид галлия – в районе полутора. И совпадающие очень близко параметры решетки. Так что это можно сделать. Но мы не стали начинать наши работы с арсенида галлия и арсенида алюминия по очень простой причине. Арсенид алюминия синтезирован в 1915 году. Полупроводниковые свойства его были продемонстрированы Велькером, немецким физхимиком, в 1953 году. Оказалось, что этот материал – арсенид алюминия – в обычной атмосфере очень быстро разлагается на щелочь и испаряется просто. Это не материал для работы.
Исследовали его свойства под слоем керосина, можно изучать его электрические свойства. Ну, какому электронщику захочется делать интегральные схемы или лазеры, покрывать под слоем керосина и прочее, и прочее? Поэтому мы отложили это дело. Решили, что, наверное, ничего хорошего не будет. И начали вообще с твердых растворов галлий-мышьяк, галлий–фосфор.

Идеология, которую я тогда развивал, сводилась к следующему. Для того, чтобы иметь электронное оптическое ограничение, нам нужно иметь дельту Eg — разницу ширины запрещенной зоны, ну, 3-4 кт, грубо говоря. КТ при комнатной температуре 26 милливольт. Значит, одна десятая электрон-вольта – этот уже e в четвертой степени, и все будет прекрасно.

Но, значит, наверное, можно? Если мы сделаем разницу небольшую, то разница в параметрах решетки будет небольшая. И мы начали тогда с системы галлий-мышьяк, галлий-фосфор. Мы потратили на нее пару лет, мы разработали технологию, мы изобрели одностороннюю инжекцию, но лазер заработал только при температуре жидкого азота. Никаких преимуществ двойной гетероструктуры нет.
И тогда сотрудник в моей группе Дима Третьяков, к сожалению, уже покойный, а он пришел ко мне из лаборатории Нины Александровны Горюновой, это физхимик в нашем институте, которая открыла полупроводники А3Б5. Он мне рассказал, что у одного из сотрудников Саши Барщевского в письменном столе валяются несколько лет чешуйки полукристаллические? для нас не годящиеся по своим свойствам, твердые кристаллики галлий-алюминий-мышьяк, твердые растворы. И они не испарились. Они два года валяются, ничего с ними не случилось. Это означает, что твердые растворы, когда мы добавляем галлия к алюминию, мы имеем и большую разницу в ширине запрещенной зоны, и нормальные свойства при обычных температурах в обычном воздухе.

После этого мы сразу стали делать гетероструктуры галлий-алюминий-мышьяк, сделали, опубликовали первые результаты, и дело пошло. С этого начались то, что мы называем идеальные гетероструктуры галлий-алюминий-мышьяк.
А дальше началось… это предыдущая картинка, а вот сколько их сейчас. Герберт Кремер по поводу этих двух картинок «Зависимость параметра решетки от ширины зоны» и какие соединения есть, сказал очень красиво. Он сказал, что вот та первая картинка – это как географическая карта времен Магеллана на мир, когда еще многое не открыто. А вот эта – современная географическая карта, это так много гетероструктур существует сегодня.

Дальше началось соревнование, а кто же первый сделает лазер, который работает при комнатной температуре? Работали тогда в этом направлении очень активно мы, лаборатория «Беллтелефон», «Эр Си Эй радиокорпорейшн оф Америка» в Принстоне и «Ай Би Эм». Мы их надрали. В 1968 году наш первый комнатный лазер заработал, мы сделали специально красную длину волны, чтобы было видно, и такие.. Когда я доложил в 1969 году эту работу на международной конференции по люминесценции в Нью-Арке, в штате Делавэр в США, для американцев это был взрыв, бомба!

А почему надрали-то? Вообще, у них технологии и физика развита здорово. Но, я сказал тогда, Джон Бардин читал лекцию об открытии транзистора. И сказал, на чем это все базировалось – на фундаментальных исследованиях. И группа Мортона Пенише на «Беллтелефон», и группа Хеник Креселла, на компании «Эр Си Эй» они смотрели, как улучшить свойства лазеров. И поэтому в первом приближении: а если мы p-часть, где максимальные потери происходят, заменим на широкозонный полупроводник, у нас уже будет улучшение. Да! Но, это не кардинальное улучшение.
У нас был подход значительно более широкий. Мы исследовали в целом свойства гетероструктур, и эффект сверхинжекции, и исходили из концепции «двойная гетероструктура должна быть основой таких полупроводниковых лазеров». Поэтому, когда я им рассказал о работающей двойной гетероструктуре , для них это было… и я тут же получил массу приглашений на «Беллтелефон», на «Ай Би Эм», на «Эр Си Эй». Ну, я на «Ай Би Эм» был, поехал, на «Эр Си Эй» не поехал, сказал, я занят, у меня нет времени уже, чтобы к вам ходить. Там была для этого специальная причина.

А дальше было соревнование непринципиальное на самом деле, потому что уже все было продемонстрировано в первом комнатном лазере. Но было совершенно очевидно, совершено очевидно, что эти лазеры найдут, прежде всего, широчайшее применение для волоконно-оптической связи. Было очевидно уже. Уже и волокна появились с низкими потерями. И уже думали даже газовые лазеры приспосабливать для этих целей. Но это же чушь собачья, трубку такую здоровую сажать на волокно и прочее.

Поскольку серия импульсов может занимать любую последовательность, и часто очень большую, то принципиально, если будет непрерывно лазер работать при комнатной температуре. Вот тогда, значит, после моего доклада в Штатах, «Беллтелефон», прежде всего, группа Мортона Паниша, и ваш покорный слуга стали делать, как кто быстрее сделает непрерыв…

Они пошли по дороге этой, просто лазерно-алмазном теплоотводе. Алмаз – уникальный материал. А мы пошли по обычной технологии, сделать литографию, узкая полоска и на обычном медном теплоотводе он должен заработать. Получилось так, они опубликовали раньше, но мы в печать послали раньше. То есть, сделали мы раньше их, и это тоже, хотя, я повторяю, это не столь принципиально, потому что главным было — демонстрация работы при комнатной температуре лазера на двойной гетероструктуре.
Ну, вот этот лазер заработал в 1970 году. И сейчас в истории вы найдете много ссылок на эту тему. Скажем, уже после Нобелевской премии в 2001 году я получил Премию Киото, и в Японии, поскольку соавтором Мортона Паниша по непрерывному лазеру был Изуо Хаяси, японский физик, а японцам очень хотелось дать своему премию, поэтому они вот даже специально приезжали ко мне спросить, не откажусь ли я от этой премии, поскольку приоритет-то наш, если вот мне присудят мне вместе с ними? Я сказал, замечательно, хорошие люди, почему не получить?..
Но это было принципиально, действительно. Очень мало пишут о другом, даже сегодня в истории этого дела. Вот этот первый лазер непрерывный, что у американцев, что у нас, работал 10 минут, 20 минут, в лучшем случае полчаса, затем выходил из строя. Возникла проблема – как его сделать долговечным прибором? Этим делом занялись и мы, и японцы, и американцы. Наш и японский метод оказался наиболее успешным. Американцы пошли по очень сложной дороге.

Чтобы вы представляли себе эти вещи, значит, арсенид галлия и арсенид алюминия имеют совпадающие параметры решетки. Но чуть-чуть отличаются по параметру. Для обычной работы это нестрашно. Но когда это работает лазер в непрерывном режиме при высоких плотностях тока, в условиях перегрева для получения дополнительной мощности и прочее, это критическая ситуация. И из небольшого 5,66, во втором знаке после запятой, разница ничтожная в параметрах решетки, возникают дефекты и дислокации, которые приводят к выходу из строя.
Но, у арсенида галлия и у арсенида алюминия есть уникальная характеристика: при температуре выращивания, а температура выращивания порядка 800-900 градусов Цельсия, совпадения параметров решетки идеальное до четвертого-пятого знака после запятой. Ну, так вот в разы. Тогда что? При выращивании вы получаете идеальную структуру. Остудили, ну, прибор сделан. И он становится напряженным. И в этих условиях может …

Американцы сначала пошли по такой дороге. Они добавляли немножко фосфора, в этом случае чуть-чуть, крошечку. При выращивании было хуже, но было лучше при комнатной температуре. Таким образом им удалось поднять срок жизни прибора до сотен часов. Мы с японцами, потому что сразу после создания первых комнатных лазеров, ими занялись и в США, в большом количестве лабораторий, и в СССР, не только у нас… и в Польше даже, и в Бразилии, и в Японии, во многих странах, ну, потому что очевидно компонента такая, которая даст очень много.

И идея возникла вот такая вот, значит, вот вы выращиваете вот эту гетероструктуру тройную, вот здесь она видна, на подложке из арсенида галлия. Арсенид алюминия имеет чуть-чуть больший параметр решетки где-то там немножко во втором знаке чуть-чуть, даже в третьем, чем арсенид галлия.
Теперь, если вы выращиваете довольно тонкий слой твердый растворов арсенида галлия и арсенида алюминия на относительно массивной подложке арсенида галлия, тогда, поскольку она массивная, она подожмет эту пленку, она эластичная пленка, будет до определенной толщины. И тогда, ежели вы правильно выберите ее толщину, то вы можете сделать, ничего не внося, никаких добавок фосфора и ничего подобного, вы можете сделать, что на границе раздела широкозонного полупроводника со следующим узкозонным слоем, никакой разницы в параметре решетки не будет, поскольку эта пленочка эластично поджалась на массивной подложке.

Дальше – просто расчеты, которые мы сделали, дали нам возможность очень быстро решить проблемы долговечности полупроводниковых лазеров. И тогда долговечные полупроводниковые лазеры пошли и у нас, одновременно это сделали японцы. На это перешли и американцы. И полупроводниковый лазер стал одним из самых долговечных приборов. Позже во всем этом деле стали использовать массу других материалов. 4-компонентные твердые растворы, где можно управлять параметром решетки и это уже не играет роли. Там управляя химической композицией, вы можете подогнать структуру под идеальный состав с полным совпадением решетки.
Ну, а дальше, помимо лазеров, пошло – первые солнечные батареи на гетероструктурах галлий–алюминий-мышьяк мы сделали в 1970 году. Американцы в 1972 публиковали первые работы на эту тему, а у нас они уже летали на наших военных спутниках. Биполярный транзистор, имеет массу преимуществ по скорости, прежде всего. Хемтранзистор, который сегодня широко используется, в том числе, это основанная компонента в любом мобильном телефоне, это стало возможным на основе этих же гетероструктур.

Изуо Хаяси в 1985 году нарисовал такое вот дерево, посмотрите на него внимательнее. Корни этого дерева – это технология материалов. Затем она переходит в технологию приборов. Затем начинается технология интеграции, и для массы самых различных применений, практически во всей полупроводниковой электронике мы имеем возможность широко использовать гетероструктуры, поэтому это и получило название «Гетеростракчел -3».
Германий, кремний пошли в дело, стали полупроводниками основными, потому что была развита технология германия и кремния монокристаллического легирования и получения в годы войны для кристаллических детекторов. Для гетероструктур технология здесь гораздо сложнее. Вы должны управлять. Мы не употребляли этого слова «нано», но это нанотехнология. Вы должны управлять составом растущего слоя на атомном уровне, сажая, так сказать, атом туда, куда нужно, меняя химсостав. Проводя исследования, это оказалось возможным, так называемая, «молекулярная эпитаксия», одна из установок показана здесь.

Дальше вот эта картинка, она очень существенна. На левой стороне картинке изображена двойная гетероструктура. Узкозонный полупроводник между двух широкозонных. Тогда, когда размеры этого полупроводника намного больше, чем длина волны электрона, мы имеем то, что называется «тридименшл», трехмерную структуру. Потому что движение в узкозонном слое не отличается от движения электронов в объемном полупроводнике.
Зависимость плотности состоянию от энергии имеет вот такой параболический вид. Уже много преимуществ, уже электронное и оптическое ограничение. Но, если вы сделали толщину соразмерную с длиной волны электрона в этом материале, это 100-200 ангстрем, в этом случае электроны распространяются только в плоскости. Вы имеете двумерный электронный газ, вы имеете то, что называется квантовые ямы. И зависимость плотности состояний от энергии в спектре приобретает вот этот ступенчатый вид.

В 1974 году на «Беллтелефон» сделали первыми такую структуру. Но очень быстро мы ее стали применять для лазеров. А если вы делаете то же самое, опять же ту же самую двойную гетероструктуру, но узкозонный слив в виде проволоки, вы имеете то, что называется квантовая проволока. Одномерный электронный газ, потому что электроны могут двигаться только в одном направлении и зависимость спектра от плотности состояния приобретает вот такой вот вид с максимумами.
И, наконец, если вы реализуете ту же структуру двойная гетероструктура, но узкозонный уже не слой и не проволока, а некая небольшая область, имеющая размер, опять же, сравнимый даже меньше, чем волна де Бройля, вы имеете тогда вот такую зависимость спектра плотности состояний, такую же, как в изолированных атомах. Значит, вы, выращивая то, что получило название «квантовые точки», выращивая их в кристалле, меняя соответствующие состояния, размеры, там используя тот или иной материал, меняя, так сказать, их плотность, вы управляете этим спектром, и вы можете иметь то, что называется как различные материалы, вы действительно получаете «искусственные атомы», спектральными характеристиками которого вы управляете в процессе получения. Это вы можете сделать только в лаборатории , выполняя определенные условия.

Вот пример так называемых каскадных лазеров, когда лазеры сделаны на другом принципе, сверхполупроводниковой сверхрешетки, можно при определенных условиях получить инверсную населенность вот в такой вот структуре. Для этого даже не нужно инжекции неравновесных носителей. Нужно просто протекание тока между отдельными состояниями в решетке, возникает инверсная населенность. Возможность создания такого лазера, позже названного каскадным, показали в своей теоретической работе Роберт Сурис и Рудольф Казаринов в нашем институте в 1972году. А реализован он был впервые в 1994, через 23 года на фирме «Беллтелефон» Фредерико Копассо, почему? Потому что потребовалось для того, чтобы это выполнять, нужно было иметь технологию молекулярной эпитаксии с очень точным компьютерным контролем.

Для того, чтобы реализовать такое лазерное излучение, нужно уметь выращивать эти сверхрешетки, когда изменение расстояния между ними находится на уровне существенно меньшем, чем постоянные решетки, существенно меньшем, чем даже десятые доли постоянной решетки. Это оказалось возможным только при развитии соответствующей технологии. Это просто пример, как, вообще говоря, новые физические явления находят свое применение и как они связаны с развитием технологии. Это дало возможность создавать лазеры, работающие даже при комнатной температуре в средней инфракрасной области.

Вот на этом графике представлена история полупроводниковых лазеров вообще. Вот сначала в 1962 году, когда были сделаны первые на pn-структуре, пороговая плотность тока, при котором вы достигали лазерного эффекта, была 100 килоампер на квадратный сантиметр. Лазер раньше сгорал, чем начинал работать. Вот просто тридименшнл – трехмерные гетероструктуры дали возможность получить непрерыв, снизить пороговую плотности тока, началось широкое использование лазеров в волоконной оптике, лазерные эти самые пойнтеры и прочие вещи.

Дальше – квантовые ямы. Вот квантовые ямы позволили нам получить теоретический предел пороговой плотности тока в 40 ампер на квадратный сантиметр. А затем квантовые точки. И здесь уже можно забыть про пороговый ток, он уже такой малый, что о нем уже особенно и не беспокоятся.
Это как развивались солнечные батареи. Когда вы имеете гетероструктуру, в отличие от обычного, и здесь основной материал солнечной энергетики кремний. И в силу тех причин, о которых я говорил, еще долго будет им. Но тут могут произойти изменения. Потому что у кремния принципиально теоретически коэффициент полезного действия в районе 26-28%. По очень просто причине.
Вот у вас полупроводник. Через него идет свет. Ширина зоны 1, 1 электрон-вольта. Все, что больше по энергии, поглощается, все, что меньше – проходит насквозь. Но все, что больше поглощается, только малая доля света поглощается, а очень много электронов и дырок создается высокоэнергетичных. Потому что фотон энергетичней, он передает энергию электронной дырке. Они там, в глубине зоны проводимости и валентной зоны, как они теряют эту энергию? Передавая в тепло.

Поэтому на таком однозонном полупроводнике вы получите КПД на кремнии 26-27%, на арсениде галлия – порядка 30%, ну и все. А если вы имеете гетероструктуру, вот у вас солнечный спектр, вот кремний, вот, значит, то, что зеленое – это то, что кремний берет из солнечного спектра. А. если вы сделали гететороструктуру с тремя pn-переходами друг за другом, и каждая из них поглощает свою долю спектра, видите, как расширилось это дело? Система более сложная.
Здесь возникают свои проблемы, туннельные контакты, ну, не важно. Значит, если здесь теоретически КПД 26%, ну, 28%, достигнуто сейчас рекорд 24%, а в производстве – 16-18%, то здесь теоретический КПД для гетероструктуры, когда не три, а больше было бы — 6,7, 8 или плавная гетероструктура, — 87%. Это туда, куда двигаться можно. А уже вот на таком трехкаскадном, на каскадном из трех уже достигнутый КПД 40%. и в ближайшем будущем будет полсотни. А основная проблема солнечной энергетики наземной, не космической, космическая – свои проблемы, там главное на низких орбитах кремний останется надолго, на высоких орбитах гетероструктуры они не теряют своих свойств в условиях высокохэнергетичного облучения.

Но, на Земле, если больше КПД, то экономически будет выгодно получать электроэнергию с преобразованием солнечной энергии. Конечно, с меня не спросишь, потому что в это время я вряд ли будут жить, но я могу сказать совершенно четко – к концу XXI века большая часть вырабатываемой электроэнергии будет получаться за счет фотоэлектрического преобразования солнечной энергии.
Американцы у себя рассматривают вопрос получения 65% электроэнергии к концу XXI века за счет вот… там масса своих проблем, не только преобразование, еще и процессы передачи… И, тем не менее, есть управляемый термоядерный реактор – наше Солнце, прекрасный термоядерный реактор, который работает много миллиардов лет, уже, по-моему, шесть или семь, если не больше, вот, и еще получим столько же. И эта звездочка классе G-2 – очень средняя звезда. Но она все дает нам на самом деле.

И наша задача – построить эффективное преобразование. При этом и сегодня оно уже достаточно эффективное, оно экономически пока невыгодно, тепловые, газовые, нефтяные станции экономически пока выгоднее. Но это пройдет. Это пройдет, и не так много времени потребуется. А принципиально солнце дает полный избыток, а фотовольтаика дает вообще высокоэффективный способ преобразования.
Есть вторая вещь – освещение. Освещение будет на светодиодах. Оно уже идет сегодня. Светодиоды широко используются, скажем, когда вы едете на машине, там тормозные красные – это галлий-алюминий-мышьяк, мои гетероструктуры. Семафоры уже на железных дорогах, ну и появились белые светодиоды. Японец Накомура сделал очень важный технологический вклад, а принципы их работы были описаны нами еще в 1968 году, когда мы сделали первый светодиод на гетероструктуре. А это, простите, намного больший КПД, и намного больший срок жизни. Срок жизни светодиода – десятки, многие десятки лет. И эффективность намного выше.

В принципе, при решении целого ряда технологических задач, вы можете управлять спектральным составом и задавать на компьютере у себя дома освещение таких светодиодов, которые утром приятно, когда восходит солнце, будут иметь большую красную компоненту, а днем там будет больше зеленой, работать надо. И все это – реальность ближайших лет. И где-то в районе 2020 года, по оценкам примерно около 50% мирового освещения может перейти уже на светодиоды. Отнюдь не на эти самые люминесцентные ртутные лампы, которые рекомендует нам наше правительство.
Вот эта вот картина по лазерам, которая показывает, где полупроводниковые лазеры уже сегодня могут широко применяться. Практически везде. Будущее за полупроводниковыми лазерами на гетероструктурах. Почти все, включая, включая лазерное оружие.

Полупроводниковая революция и будущее за полупроводниками. Но, вместе со мной получили в 2000 году Нобелевскую премию по химии вот эти три замечательных человека: Алан Хигер, родители его из Могилевской области, Алан Мак-Диармид, к сожалению, уже ушедший от нас, и Хидэки Сиракава, японский физик. Эти трое открыли так называемые проводящие полимеры.

Хигер в своей нобелевской лекции сказал очень хорошо, что, в конечном счете, может быть, наиболее важным, что проводящие полимеры предлагают реализовать в ближайшем будущем новую генерацию полимеров, материалы, которые показывают электрические и оптические свойства, такие же, как металлы или полупроводники, но которые сохраняют свои механические свойства, что становится необычайно привлекательным в производстве.
В прошлом году приезжал ко мне Алан Хигер. Выступал у нас на конференции в Ленинграде и рассказывал о солнечных батареях, которые он сделал, и которые пока имеют КПД 6%. Он надеется в ближайшем будущем иметь 10%. Но их производство – это так же, как печатают газеты, это просто вот.. И легко с ними обращаться, и можно, скажем, их наклеивать на окна, что они с одной стороны будут частично пропускать свет, но при этом еще и вырабатывать электричество. И производств вот будет 10-15%, если у них, они экономически будут выигрывать соревнование у кремния. Не у гетероструктур.

А это глобальная нанотехнология – рынок. Вы видите, главное – наноэлектроника и наноматериалы. А вот это вот такая картинка, которую я впервые демонстрировал в своей лекции в 1986 году в Чикаго. «Амоко» — это нефтяная крупная компания. Был такой энергетический кризис, во время которого многие американские нефтяные компании стали думать о том, что нужно заниматься, диверсифицировать экономику и заниматься другими вещами, в том числе и солнечными батареями, и электроникой.
И «Амоко» создала под Чикаго «Фотоник ресерч центр» — «Фотонный исследовательский центр», и собиралась заниматься на этом центре гетероструктурами, и пригласили меня прочитать им по этому поводу лекции. Выводы, которые здесь – это выводы из той моей лекции 1986 года. И я сегодня… употребляю, и все правильно, что было сказано тогда. Может, только изменить так: «высокотемпературные, высокоскоростная силовая электроника – это новая область…» — это уже не новая, она уже широко используется. Или «будущие высокоскоростные электронные устройства будут использовать гетерострутуры» — это не будущее, это уже сегодня.

Когда эффектно объявили о том, что у нас появился самолет пятого поколения и одно из его основных достоинств заключается в системах АФАР, антенные фазированные решетки, новые радарные системы, сердцем АФАР-системы является транзисторные гетероструктуры. Вот на этом нашем самолете стояли транзисторы на гетероструктурах, а гетероструктуры были сделаны просто у меня в лаборатории,. Поэтому многое, что говорилось здесь «будущее» — сегодня реально.
Единственное, что отличает вот выводы самой моей лекции 1986 года и сегодняшней, скажем, это там, в пункте 6, мною было сказано, что в XXI столетии гетеропереходы в электронике оставят так же, как и здесь, только один процент гомопереходам, но тогда я сказал так: так же, как и в живой природе. Гетеропереходы гомопереходам оставят только один процент.

Вопрос: Прежде всего, огромное спасибо за лекцию, Жорес Иванович. Было очень интересно. Вопросов, на самом деле, огромное количество. Вы рассказывали про историю полупроводников, которые разрабатывались в Советском Союзе, и при этом сейчас мы видим огромное отставание именно в промышленных решениях, которые бы делались у нас. Вы говорите, что даже сейчас есть очень много разработок, которые делаются у нас…
Ответ: Я не говорил, что очень много разработок у нас сейчас, которые не уступают мировым. Слава Богу, еще есть такие, а что очень много, я таких слов не употреблял. Основная проблема отечественной науки заключается отнюдь не в том или не столько в том, что мало денег, что зарплата ученого низкая, что уезжают за границу. Тот, кто уехал и там устроился, не вернутся, это вообще забыть надо о том, что к нам хотят вернуться те, у кого не получилось там.
Основная причина у нас — наука не востребована экономикой и промышленностью. Это вот так связано тесно.
Была создана, вообще говоря, могучая промышленность, в чем-то отставали, в чем-то опережали. Часто приходилось изобретать велосипед, потому что была такая комиссия, которая отслеживала, что можно продать Советскому Союзу, что – нет. Мне, скажем, нужно купить установку молекулярной эпитаксии, и компания «Ребер» рада мне ее продать, потому что она знает, что это реклама для нее, те работы и все прочее. Но Комиссия запрещает, такое уже бывало у нас. Потому что в этом случае из алферовских работ последует продвижение в промышленности. Лучше мы здесь вот…
Но в целом, я говорю, высокотехнологичные отрасли промышленности были созданы в стране. За это было уплачено очень много. А потом мы с такой легкостью… Я вам приведу очень простой пример. Где-то в районе середины 80-х годов министр электронной промышленности СССР Владислав Григорьевич Колесников, как-то встречая меня, говорит: «Жорес Иванович, я сегодня проснулся в холодном поту». Я говорю, — «А что случилось?» — «А мне приснилось, что «Планара» нет». А «Планара» нет, значит, нет электронной промышленности СССР. «Планар»- это компания, которая в значительной степени была создана энергией, талантом Евгения Онегина. Был такой инженер, Евгений Онегин в Минске. Но не только он один. В Минске появилась у нас компания «Планар», которая разрабатывали технологическое оборудование, субмикронная литография, такие установки –с очень точной литографией, которая позволяет делать чипы высокого разрешения. Она была на уровне мировых стандартов это наша компания, только машины наши были раз в пять дешевле басурманских. Ну, тогда ему это просто приснилось. А в 1991 году это случилось… Не стало СССР, не стало компании «Планар». Электронная промышленность СССР была империя, которая была во всех союзных республиках. Это тысячи предприятий, многие сотни институтов, сегодня она есть только в России и в Белоруссии. Во всех остальных ее просто нет. В России объемы производства полупроводниковой электронной продукции на уровне 20-25% того, что было в РСФСР. Белоруссия даже по объемам превышает тот уровень, но у нее нет денег, чтобы держать соответствующий технологический уровень. Так что, вот где причина!
Самое страшное, что произошло с нашей страной – это развал Советского Союза. И при этом можно забыть и не думать о всех политических аспектах. Мы нанесли тяжелейший экономический нокаут своей стране! То же самое, если бы сегодня США кто-нибудь поделил на 15 независимых государств, они были бы в экономической депрессии на порядке худшей, чем депрессия 1929 года. А мы это сделали со своей страной!..
И нет сегодня более важной задачи, чем возрождение промышленности высоких технологий. Только таким способом можем спасти нашу страну. Нет более важной задачи! Ее нужно решать квалифицированно. Нужно четко смотреть, во что, в первую очередь, вкладывать средства?

Вопрос: Жорес Иванович, вот в продолжение прошлой темы, сейчас в полупроводниковой технике есть какие-то ниши, в которых мы можем быть если не впереди, хотя бы на уровне мировом?
Ответ: Когда кто-нибудь говорит, что мы отстали в полупроводниковой технике, технологии навсегда, это вранье! Пока есть люди, пока есть кадры, пока мы можем готовить толковых специалистов, мы всегда имеем возможность вернуть себе… В очень многих вещах нам удалось в полупроводниковой науке, науке, имеющей значение для применений, сохранить потенциал в самые тяжелые 90-е годы благодаря совместной работе с западными лабораториями. Совместные международные проекты позволили нам выжить в то время и сохранить потенциал.
Важно только, чтобы из этих зерен начало расти хайтек-индустрия.

Вопрос: Сейчас очень модная и хорошо финансируемая тема в нашем правительстве, нанотехнологии.
Ответ: Тут понимать нужно следующие вещи. В области нанотехнологий научный задел у многих наших лабораторий очень большой. Очень много интересного, если говорить про полупроводники, наноэлектронику, микроэлектронику, сделано в Ленинградском физтехе, в моем Академическом университете, Институте микроструктур в Горьком, в Институте физики полупроводников Сибирского отделения. По материалам Института авиационных материалов Каблова очень много тоже сделано.
Сама по себе идеология «нано», как говорится, ну, это по известному можно сказать, как когда-то один из героев пьес Мольера говорил, что он не знал, что он говорит прозой. Поэтому нанотехнологиями занимаются давно.
Ваш покорный слуга является руководителем программы фундаментальных исследований в области нанотехнологий в Российской Академии Наук. Это самая большая программа в Российской Академии Наук, ее бюджетное финансирование в прошлом году было 250 миллионов рублей, а в этом году в связи с тем, что Академии сократили на 10% финансирование,. стала 180 миллионов.
Если это вы сравните с теми средствами, которые имеются в «Роснано», то это несравнимые величины. Неоднократно я говорил господину Чубайсу о том, что нужно на самом деле в первую очередь, мы можем сказать, четко какие направления из ведущихся у нас исследований, по нашему мнению, дадут важные практические результаты, их нужно поддержать.
Анатолий Борисович, к сожалению, ставит главной задачей получение сегодня коммерческого эффекта. Это, с моей точки зрения, стратегически неправильно. Хотя там уже сегодня, скажем, целый ряд, в том числе и моих бывших учеников, вернулись из-за рубежа, и создают компании здесь и кое-что появляется. Но, в этой области нужно всегда понимать, что основой ее является научно-технические исследования, разработки. Не потому, что я вице-президент Академии Наук, и не потому, что я всю свою жизнь проработал в Академии Наук в Физико-техническом институте, последние годы – в созданном мною Академическом университете, но Академия Наук исторически самая мощная научная организация страны.
Нужно развивать науку в вузах с помощью Академии Наук. Нельзя никогда, чем занимается Высшая школа экономики и прочие, деятели, которые ничего не сделали в экономике, никаких реальных достижений. Нужно всегда четко понимать, что не нужно заниматься противопоставлением. Наука и образование – единые вещи. Науку можно и должно развивать и в вузах, и в Академии Наук. Развивать образование в Академии с помощью вузов и вместе делать эти вещи. Это нужно делать.

Жорес Алферов. Полупроводниковая революция. Наука и общество. 1 лекция. Канал Культура

Источник: http://tvkultura.ru/anons/show/episode_id/156357/brand_id/20898