Как это нередко случается, премия была присуждена за исследования, которые велись довольно давно, но всё их громадное значение оценили лишь со временем. Нобелевский комитет вынес решение с формулировкой «за основополагающие работы в области информационных и коммуникационных технологий". Ключевые работы были опубликованы в 60-е годы одновременно и независимо Алфёровым и американцем немецкого происхождения Гербертом Кремером. Он разделил с Алфёровым Нобелевскую премию. Третьим лауреатом этой же премии стал Джек Килби, который работал в близкой области.
Ж. И. Алфёров родился 15 марта 1930 г. в Витебске (Беларусская ССР). Родители, убеждённые коммунисты, дали ему необычное имя Жорес в честь руководителя французского рабочего движения Жана Жореса. Его старшего брата назвали Марксом, в честь основоположника научного коммунизма. Отец был инженером, часто получал новые назначения, и семья не задерживалась подолгу на одном месте. Алфёровы жили и работали в Сталинграде, Новосибирске, Барнауле и Сясьстрое. Во время Великой Отечественной войны Иван Карпович Алфёров был директором целлюлозно-бумажного завода в Туринске (Урал, Свердловская обл.). Маркс Иванович Алфёров, фронтовик, погиб в 1944 г. в ходе Корсунь-Шевченковской операции.
По окончание войны семья переехала в Минск. Закончив школу с золотой медалью, Жорес Алфёров поступил в Белорусский Политехнический Институт (ныне БНТУ) г. Минска на энергетическом факультете, отучился там несколько семестров, после чего поехал поступать в Ленинградский электротехнический институт (ЛЭТИ). В 1952 году окончил факультет электронной техники ЛЭТИ. С 1953 года работал в Физико-техническом институте имени А. Ф. Иоффе младшим научным сотрудником в лаборатории В. М. Тучкевича и принимал участие в разработке первых советских транзисторов и силовых германиевых приборов. В 1961 г. защитил кандидатскую, а в 1970 г. докторскую диссертацию. С 1987 по 2003 гг. был директором института Иоффе. За свою долгую жизнь Жорес Иванович занимал немало важных должностей, имел множество научных званий и титулов.
Сферой его научных интересов были полупроводники – вещества, которые в зависимости от изменения ряда условий (температуры, различных примесей) могут вести себя как проводники или как диэлектрики. К полупроводникам относится несколько элементов таблицы Менделеева, некоторые двухкомпонентные и трёхкомпонентные химические соединение, существуют органические полупроводники.
Как известно, проводимость бывает двух типов - «электронная» (n-проводимость) и «дырочная» (p-проводимость) в зависимости от того, преобладает ли в проводящем веществе концентрация свободных электронов (носителей отрицательного заряда) или атомов с «дырками» от недостающих электронов. Тип проводимости зависит от совершенно незначительной на первый взгляд примеси, а точнее от её валентности. Зона соприкосновения двух типов проводимости полупроводника называется р-n-переходом. В такой зоне возникает ток заряженных частиц. Эта особенность (при одних условиях ток проходит, а при других не проходит) широко используется в технических устройствах-преобразователях. С их помощью можно изменять параметры электрических сигналов, преобразовывать оптические сигналы в электрические и обратно, преобразовывать тепловую и механическую энергию в электрическую и наоборот. Таким образом могут быть устроены температурные датчики и датчики давления, может быть закодирована очень сложная информация. Наверное, нет смысла перечислять здесь, где именно всё это используются. Можно сказать, на полупроводниковых устройствах держится вся современная цивилизация.
Наверное, самым известным веществом-полупроводником является чистый кремний (Si). Отсюда – Кремниевая долина, место, где велись разработки полупроводниковой техники в США. А в СССР подобную роль выполнял Ленинградский физтех, институт имени Иоффе. Там Алферов с коллегами разрабатывал первые отечественные транзисторы, затем – фотодиоды, выпрямители тока для атомных подводных лодок.
В начале 60-х и американские, и советские физики взялись за создание полупроводникового лазера и столкнулись с рядом трудностей. Одной из малоудобных особенностей полупроводниковых технологий является их высокая зависимость от температурного режима. В ранних образцах лазеров в качестве полупроводника использовали арсенид галлия. Однако, эти устройства, хоть и давали ожидаемый эффект, работали только в условиях крайне низких температур, для чего приходилось использовать жидкий азот. Как следствие, их практическое применение было крайне затруднено. Тогда-то и возникла идея поработать с так называемыми гетеропереходами.
В отличие от обычного р-n-перехода, где используется полупроводник одного вида, но с двумя различными типами проводимости, гетеропереход возникает при соседстве двух разных видов полупроводников. Используя несколько гетеропереходов, создают гетероструктуры. В этом случае система получается более гибкой и характеристики техники могут быть гораздо разнообразнее. Много переходов хороших и разных, и соответственно много разных характеристик. Значит, больше надежды добиться именно тех, которые нам нужны.
Однако, тут возникают свои трудности. Для получения гетероперехода нужно решить проблему совместимости атомных слоев двух разных веществ – создать "монокристалл с переменной структурой". Далеко не любые два полупроводника годятся для гетероперехода. Нужно подобрать подходящую гетеропару. Практически идеальная гетеропара была известна еще в 1915 г. Тогда получили соединение AlAs, имеющее очень близкий к GaAs период решетки. Но арсенид алюминия химически нестабилен и разлагается во влажной атмосфере, так что возможность изготовления пригодных для практического применения устройств на основе гетероструктур GaAs/AlAs казалась малоперспективной. Поэтому группа Ж.И. Алферова поначалу пыталась реализовать свою идею на основе гетеропары GaAs/GaAsP (GaAsP - трехкомпонентный твердый раствор GaAsxP1-x). Но и на этот раз лазерную генерацию удавалось получить лишь при низких температурах. К концу 1966 г. стало ясно, что на этом пути цели достичь не выйдет. Необходимо было искать другой вариант. Говорят, он нашёлся чуть ли не случайно. Сотрудник группы Ж.И.Алферова, Д.Н.Третьяков, обнаружил, что с кристаллами твердого раствора AlGaAs, пролежавшими более двух лет в ящике стола, за это время ничего не случилось. В конце концов группе Алфёрова удалось разработать технологию для формирования перехода GaAs – GaAlAs. В результате был создан лазер, который работал в непрерывном режиме при комнатной температуре.
Одновременно с сотрудниками Ленинградского физтеха свой работающий гетеролазер представил и Герберт Кремер. Тем не менее, в США оценили заслуги Жореса Ивановича. В 1971 года Франклиновский институт присудил ему медаль Баллантайна. Третий физик, нобелевский лауреат 2000 г., Джек Килби, создавал из транзисторов компактный слуховой аппарат и сумел воплотить его в одном кристалле. Это была первая в мире интегральная схема.
До конца XX века представилось много случаев, чтобы оценить насколько глобальный прорыв был тогда совершён. Полупроводниковые гетероструктуры – это лазерные проигрыватели в каждом доме, это качественные солнечные батареи – в настоящее время основной источник энергии для околоземных космических аппаратов, это карманные многофункциональные компьютеры, которыми по сути являются современные телефоны, это невообразимые перспективы нанотехнологий.
Тут, вероятно, следует сказать несколько слов о природе проводимости вообще и полупроводимости в частности. Всё дело в существовании так называемой запрещённой зоны - области значений энергии, которыми не может обладать электрон в идеальном (бездефектном) кристалле. Эта зона имеет разную ширину у разных веществ. У металлов запрещённая зона отсутствует вовсе, то есть энергия электрона в их кристаллической решётке может принимать любое значение. Поэтому они отличные проводники. Диэлектрики имеют очень широкую запрещённую зону, а у полупроводников она поуже. Именно структуры из веществ с разной шириной запрещённых зон способны давать множество интересных и полезных эффектов. По этому пути, проложенному Алфёровым, и при его непосредственном участии развивается современная полупроводниковая техника, создавая конструкции на основе материалов, обладающих точно заданными, рассчитанными на много ходов вперед свойствами. Про Жореса Ивановича говорят, что он подарил человечеству своеобразный «квантовый конструктор».
Со временем физики научились формировать пленки из многих различных слоев, каждый толщиной в сотни или десятки атомов, потом замахнулись на моноатомные слои. Это позволяет создавать совсем миниатюрные устройства с очень сложными функциями. Например, в настоящее время разрабатывается проект отправки в межзвёздную экспедицию целого роя крохотных космических аппаратиков. Благодаря малой массе, их будет сравнительно несложно разогнать до околосветовой скорости, а поделиться наблюдениями они смогут не хуже, чем «Юнона» или «Кассини».
Статья была опубликована в апрельском номере журнала "Наука и техника" за 2019 год
