http://www.ras.ru/digest/showdnews.aspx?id=ec38536f-bac9-46b4-88a8-b97d4f1ed70d&print=1© 2024 Российская академия наук
В ЭТИ ДНИ общественность отмечает 80-летие одного из крупнейших физиков и инженеров нашего времени, лауреата Нобелевской премии Жореса Ивановича Алфёрова. Имя Ж.И.Алфёрова давно и хорошо известно среди специалистов в области физики полупроводников. Он принимал участие в создании первых отечественных транзисторов, фотодиодов, мощных германиевых выпрямителей. Но основной вклад Ж.И.Алфёрова в физику и технику полупроводников, в полупроводниковую электронику состоит в открытии и создании им «идеальных» полупроводниковых гетероструктур и приборов на их основе. Остановлюсь на этом несколько подробнее.
После открытия Дж.Бардином и У.Браттейном транзисторного эффекта и создания «точечного» транзистора в 1948 г., и предложения У.Шокли «плоскостного» транзистора в 1949 г. (Нобелевская премия Дж.Бардина, У.Браттейна и У.Шокли 1956 г.) началась эра транзисторной электроники. При этом использовались переходы от одного типа проводимости к другому в одном и том же полупроводнике, в основном в германии и кремнии, т.е. «гомопереходы». Но уже сразу стало ясно, и это было показано в работах У.Шокли и других исследователей в начале 50-х годов прошлого столетия, – что практически все полупроводниковые приборы (транзисторы, тиристоры, фотодиоды и др.) могут быть существенно улучшены, если использовать не гомопереходы, а «гетеропереходы», т.е. границы между различными полупроводниками с отличающейся энергетической структурой и типом проводимости. Однако создать действующие полупроводниковые приборы на гетеропереходах не удавалось никому более 10 лет.
Дело в том, что полупроводники с разной энергетической структурой, как правило, имеют и разное расстояние между атомными плоскостями, как говорят, имеют разные «постоянные решетки». Поэтому если сделать гетеропереход, т.е. соединить (сплавить, приварить) два таких полупроводника между собой, вдоль границы раздела будут иметь место оборванные атомные плоскости и вследствие этого множество разных дефектов. Эти дефекты и не позволяли делать полупроводниковые приборы на таких гетеропереходах. Однако теория в принципе не отрицала возможности существования таких полупроводниковых материалов, у которых энергетические структуры сильно различаются, а постоянные решетки не отличаются или отличаются незначительно. Имея это в виду, Ж.И.Алфёров с группой сотрудников в начале 60-х годов предпринял направленный поиск таких материалов, проводя глубокие исследования физико-химических свойств полупроводниковых соединений и их структуры. И этот почти 10-летний поиск увенчался успехом! Была найдена уникальная пара полупроводниковых соединений – арсенид галлия (GaAs) и арсенид-алюминат галлия (GaAlAs), у которых ширина запрещенной зоны отличается почти в полтора раза, а постоянные решетки различаются всего лишь на доли процента, то есть, как говорят, «в третьем знаке»! И сразу же был создан «идеальный» гетеропереход, где по обе стороны от границы ширины запрещенных зон сильно различаются, а расстояния между атомными плоскостями практически одинаковые, и вследствие этого вдоль границы дефектов нет! Это была принципиальная победа! Ну, далее уже было ясно, что надо делать – переводить все полупроводниковые приборы на эти «идеальные» гетеропереходы. Началась эра гетеропереходной электроники.
Во время указанных исследований было открыто много новых физических явлений, таких, как «сверхинжекция» в гетеропереходах, электронное и оптическое ограничение в двойных гетероструктурах и многое другое. В 1962 г. Ж.И.Алфёровым и Р.Ф.Казариновым и независимо Гербертом Крёмером теоретически был предложен полупроводниковый лазер на двойной гетероструктуре. Он и оказался первым практически работающим полупроводниковым прибором, экспериментально реализованным Ж.И.Алфёровым с сотрудниками в 1968 г. на открытой ими «идеальной» двойной гетероструктуре AlGaAs–GaAs–AlGaAs.
Далее началось бурное развитие работ по гетеропереходной электронике, прежде всего в лаборатории Ж.И.Алфёрова, а также во многих ведущих полупроводниковых лабораториях мира. Эти работы привели к кардинальному улучшению параметров большинства известных полупроводниковых приборов, а также к созданию принципиально новых приборов, особенно перспективных для применения в оптической и квантовой электронике. В частности, Ж.И.Алфёровым с сотрудниками была предложена и реализована идея создания «искусственных» гетероструктур путем легирования полупроводниковых соединений атомами различных размеров, что существенно расширило класс «идеальных» гетероструктур и позволило создать гетеролазеры на длины волн света, особенно перспективные для использования в волоконно-оптических линиях связи (например, знаменитая структура InGaAsP).
В 2000 г. Ж.И.Алфёрову совместно с Гербертом Крёмером и Джеком Килби была присуждена Нобелевская премия по физике (Алфёрову и Крёмеру – за создание гетероструктурной электроники, Килби – за создание первых интегральных схем). Здесь хочу сказать, что Нобелевские премии по естественным наукам, как правило, бывают двух типов: либо за открытие новых законов природы, либо за научные работы, приведшие к гигантскому прорыву в технике, часто меняющему ход развития цивилизации. Нобелевская премия Алфёрова, Крёмера и Килби, на мой взгляд, больше относится ко второму типу. Назову только три области деятельности человека, которые сегодня немыслимы без использования результатов, отмеченных этой премией. Прежде всего – запись информации, системы памяти огромной емкости. Кто сегодня может представить нашу жизнь без компактных аудио– и видеодисков? А ведь запись на них и считывание информации производится с помощью полупроводниковых лазеров на двойных гетеростуктурах, в основном на той же знаменитой алфёровской гетероструктуре GaAlAs–GaAs–GaAlAs. Далее – волоконно-оптическая связь. Все магистральные линии связи, опутавшие сегодня весь земной шар, используют волоконно-оптические кабели, информация в которые заводится с помощью все тех же полупроводниковых гетеролазеров, а принимается с помощью фотоприемников опять же на гетероструктурах. Наконец, сотовые радиотелефоны, которые стали абсолютно необходимыми атрибутами нашей жизни. В каждом сотовом телефоне помимо фильтров частот на поверхностных акустических волнах (ПАВ-фильтров) имеется усилитель радиоволн сверхвысоких частот, который использует транзисторы на гетероструктурах. Можно перечислить и еще ряд областей техники и технологии, где не обойтись без гетероструктурных полупроводниковых приборов и интегральных схем на них, таких, как, например, грядущая солнечная гетероструктурная энергетика. Но и того, что сказано, достаточно, чтобы представить, какой поворот в развитии человеческой цивилизации произвели, отмеченные Нобелевской премией, работы Ж.И.Алфёрова, Герберта Крёмера и Джека Килби.
В НАШЕЙ стране имя Жореса Ивановича Алфёрова известно не только благодаря его огромному вкладу в развитие современной электроники, но и еще из-за двух областей его активной деятельности. Прежде всего – это его новаторская деятельность в области образования, подготовки молодых ученых и инженеров. Он вложил огромные усилия в создание образцового научно-образовательного учреждения нового типа – физико-технологического научно-образовательного центра, по сути, возродив на новом уровне петровскую триаду: лицей – университет – академия. Имея за плечами двадцатилетний опыт руководства крупнейшим академическим институтом – Физико-техническим институтом им. А.Ф.Иоффе, – Жорес Иванович глубоко осознал жизненную необходимость такого подхода к техническому образованию и первым реализовал его на практике, сделав это вторым, а по сути, может быть, и первым важнейшим делом своей жизни. Наконец, Жорес Иванович Алфёров – крупный общественный и государственный деятель, народный депутат СССР, депутат Государственной думы России. На всех этих постах, в печати и по телевидению он последовательно отстаивает интересы ученого и инженера, той части общества, которая обеспечивает научно-технический прогресс любой страны. Мне довелось работать с Жоресом Ивановичем в Комитете по транспорту, связи и информатике Верховного Совета СССР с 1989 по 1992 год. Тогда стояла задача информатизации Советского Союза, который по этому параметру был одним из последних в списке промышленно развитых стран, и мы взялись за разработку соответствующей Программы развития связи и информатики в нашей стране. Я воочию видел, с каким энтузиазмом Жорес Иванович работал и над этой проблемой – как, собственно, он делал все, за что брался. Сегодня, по сути дела, эта Программа, базирующая на 4 принципах: «цифровизация», «волоконизация», «спутниковизация» и сотовая связь, реализована в России, и по качеству информатизация общества практически не отстает от развитых стран.
Но особенно его способности крупного государственного деятеля развернулись на посту депутата Государственной думы. После того как с распадом Советского Союза в России финансирование науки (не только бюджетное, но и по договорам с промышленностью) упало в 20–30 раз, приходилось предпринимать огромные усилия, чтобы спасти уникальные научные кадры. Жорес Алфёров в Думе делал все, чтобы спасти советскую, а теперь уже российскую науку: бился за каждый процент расходов на науку в бюджете, за различные льготы ученым, за поддержку легальных источников внебюджетного финансирования и т.д. Его усилия стали особенно эффективными после получения им Нобелевской премии! Он стал тогда символом нашей науки, с которым нельзя было не считаться. Благодаря его усилиям, усилиям руководства РАН вместе с министерством науки и образования ситуация медленно меняется к лучшему, но так медленно, что может произойти очередной провал. Дело в том, что научно-технический прогресс в мире идет колоссальными темпами. Уже всем очевидно, что наука и технология являются главными факторами развития всех цивилизованных стран. Такие страны, как Китай, Индия, Япония, Бразилия, Малайзия, вкладывают огромные средства в развитие науки и технологий, причем далеко не только в инновации, но и в фундаментальные исследования. И во многом они начинают догонять и перегонять США и Европу, в частности, пользуясь более низкой стоимостью научной рабочей силы. В противоположность этому у нас, наоборот, в 2010 г. сокращение расходов на науку при нашем не таком уж большом ВВП. Можно себе представить, какое настроение сегодня у нашего единственного нобелевского лауреата, члена парламента страны в дни его юбилея!
Особый случай – Российская академия наук, созданная Петром Первым в 1724 г. Сегодня руководство РАН, и в том числе нобелевский лауреат Ж.И.Алфёров, наряду с тем, чтобы направлять все свои усилия только на открытие новых законов природы и технических решений, изменяющих ход цивилизации (что Академия наук и делала 286 лет!), вынуждены также бороться с чиновниками за само право и возможности заниматься фундаментальной научной деятельностью в интересах своей страны! И как всем известно, все крупнейшие научно-технические достижения за последние 70–80 лет в нашей стране были сделаны с определяющим участием институтов Академии наук (атомная бомба и ядерные технологии, ракеты и космические технологии, радио, телевидение и телекоммуникации и многое другое).
Тем не менее эта борьба за выживание науки все-таки начинает приносить результаты. Действительно, по крайней мере формально, на науку и технологию начинает выделяться серьезное финансирование. Но вот вопрос в том, как это финансирование будет распределяться. В своем выступлении по телевидению наш премьер-министр сказал, что правительство не будет распределять финансирование по «вывескам», за которыми ничего нет. Спрашивается: а кто будет определять, за какими «вывесками» что-то есть, а за какими нет? К сожалению, иногда это бывают не очень квалифицированные в области науки люди, имеющие доступ к «кормушке» и решающие проблемы в своих интересах, в том числе даже при конкурсном финансировании.
Кстати сказать, фундаментальная наука не может финансироваться только по конкурсам – всегда у настоящего ученого должна быть возможность свободного научного поиска. Поэтому финансирование «по вывескам», то есть базовое финансирование, должно быть принципиально сохранено наряду с конкурсным. Во всех развитых странах фундаментальная наука субсидируется в основном государством. И очень важно, чтобы эти субсидии попали тем коллективам ученых, которые могут их эффективно реализовать. Как правило, в нашей стране это известные академические институты, которые зарекомендовали себя крупными достижениями в науке, и университетские научные коллективы с высокой репутацией. Именно им и нужно дать право определять, есть ли что за «вывеской» названия организации или нет, а также участвовать в проведении конкурсов. Именно эти институты и университеты стоят сегодня на переднем крае науки и технологий, и именно они могут сегодня определять рейтинг научно-технического уровня страны. Я высказываю здесь свои мысли, но они во многом навеяны блестящими выступлениями Жореса Ивановича как государственного деятеля, как трибуна нашего научного сообщества.
При всем этом в личной жизни Жорес Алфёров – скромный, очень добрый, милый человек. Его многолетние друзья, к которым я отношу и себя, его очень любят и уважают, желают ему крепкого здоровья, счастья и новых больших успехов во всем и еще – чтобы он встретил свое 90-летие таким же полным сил, как сегодня!
Юрий ГУЛЯЕВ,
академик, член президиума РАН, директор Института радиотехники и электроники им. В.А.Котельникова РАН, президент Российского Союза научных и инженерных организаций.