Нобелевский лауреат Жорес Алфёров

Жорес Иванович Алфёров родился 15 марта 1930 Рі. РІ Рі. Витебске РІ семье Ивана Карповича Рё РђРЅРЅС‹ Владимировны Алфёровых, уроженцев Белоруссии. Отец восемнадцатилетним юношей РІ 1912 Рі. приехал РІ Санкт-Петербург. Работал грузчиком РІ порту, разнорабочим РЅР° конвертной фабрике, рабочим РЅР° заводе «Лесснер» (впоследствии «Завод РёРј. Карла Маркса»). Р’ первую РјРёСЂРѕРІСѓСЋ дослужился РґРѕ звания унтер-офицера лейб-гвардии, став георгиевским кавалером.

Жорес Иванович Алфёров

В сентябре 1917 г. И.К.Алфёров вступил в партию большевиков и на всю жизнь остался верен избранным в юности идеалам. Об этом, в частности, свидетельствуют и горькие слова самого Жореса Ивановича: «Я счастлив, что мои родители не дожили до этого времени» (1994 г.). В гражданскую войну И.К.Алфёров командовал кавалерийским полком Красной Армии, встречался с В.И.Лениным, Л.Д.Троцким, Б.Б.Думенко. После окончания Промакадемии в 1935 г. он прошёл путь от директора завода до начальника треста: Сталинград, Новосибирск, Барнаул, Сясьстрой (под Ленинградом), Туринск (Свердловская область, военные годы), Минск (после войны). Ивану Карповичу были свойственны внутренняя порядочность и нетерпимость к огульному осуждению людей.

Анна Владимировна обладала ясным умом и большой житейской мудростью, во многом унаследованной сыном. Работала в библиотеке, возглавляла совет жён-общественниц.

Ж.И.Алфёров с родителями, Анной Владимировной и Иваном Карповичем (1954 г.).

Супруги, как большинство людей того поколения, стойко верили в революционные идеи. Тогда появилась мода давать детям звучные революционные имена. Младший сын стал Жоресом в честь французского революционера Жана Жореса, а старший – Марксом, в честь основоположника научного коммунизма. Жорес и Маркс были директорскими детьми, а значит, нужно было быть примером и в учёбе, и в общественной жизни.

Молох репрессий обошёл стороной семью Алфёровых, РЅРѕ РІРѕР№РЅР° взяла СЃРІРѕС‘. Маркс Алфёров закончил школу 21 РёСЋРЅСЏ 1941 Рі. РІ Сясьстрое. Поступил РІ Уральский индустриальный институт РЅР° энергетический факультет, РЅРѕ проучился лишь несколько недель, Р° потом решил, что его долг – защищать Р РѕРґРёРЅСѓ. Сталинград, Харьков, Курская РґСѓРіР°, тяжёлое ранение РІ голову. Р’ октябре 1943 Рі. РѕРЅ провёл три РґРЅСЏ СЃ семьёй РІ Свердловске, РєРѕРіРґР° после госпиталя возвращался РЅР° фронт. И эти три РґРЅСЏ, фронтовые рассказы старшего брата, его страстную юношескую веру РІ силу науки Рё инженерной мысли Жорес запомнил РЅР° РІСЃСЋ жизнь. Гвардии младший лейтенант Маркс Иванович Алфёров РїРѕРіРёР± РІ Р±РѕСЋ РІРѕ «втором Сталинграде» – так называли тогда РљРѕСЂСЃСѓРЅСЊ-Шевченковскую операцию.

Маркс Алфёров (июнь 1941 г.)

В 1956 г. Жорес приехал на Украину, чтобы найти могилу брата. В Киеве, на улице, он неожиданно встретил своего сослуживца Б.П.Захарченю, ставшего впоследствии одним из ближайших его друзей. Договорились поехать вместе. Купили билеты на пароход и уже на следующий день плыли вниз по Днепру к Каневу в двухместной каюте. Нашли деревню Хильки, около которой Маркс Алфёров яростно отражал попытку отборных немецких дивизий выйти из корсунь-шевченковского «котла». Нашли братскую могилу с белым гипсовым солдатом на постаменте, высящемся над буйно разросшейся травой, в которую были вкраплены простые цветы, какие обычно сажают на русских могилах: ноготки, анютины глазки, незабудки.

В разрушенном Минске Жорес учился в единственной в то время русской мужской средней школе № 42, где был замечательный учитель физики — Яков Борисович Мельцерзон. В школе не было физического кабинета, но влюблённый в физику Яков Борисович умел передать ученикам свое отношение к любимому предмету, так что в довольно хулиганистом классе никогда не шалили. Жорес, поражённый рассказом Якова Борисовича о работе катодного осциллографа и принципах радиолокации, поехал в 1947 г. учиться в Ленинград, в Электротехнический институт, хотя его золотая медаль открывала возможность поступления в любой институт без экзаменов. Ленинградский электротехнический институт (ЛЭТИ) им. В.И.Ульянова (Ленина) был учреждением с уникальным названием: в нём упомянуты и настоящая фамилия, и партийная кличка человека, которого часть населения бывшего СССР теперь не очень почитает (нынче это Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет).

Фундамент науки РІ ЛЭТИ, сыгравшем выдающуюся роль РІ развитии отечественной электроники Рё радиотехники, был заложен такими «китами», как Александр РџРѕРїРѕРІ, Генрих Графтио, Аксель Берг, Михаил Шателен. Жоресу Ивановичу, РїРѕ его словам, очень повезло СЃ первым научным руководителем. РќР° третьем РєСѓСЂСЃРµ, считая, что математика Рё теоретические дисциплины даются легко, Р° «руками» нужно РјРЅРѕРіРѕРјСѓ учиться, РѕРЅ пошёл работать РІ вакуумную лабораторию профессора Р‘.Рџ.Козырева. Там, начав РІ 1950 Рі. экспериментальную работу РїРѕРґ руководством Наталии Николаевны РЎРѕР·РёРЅРѕР№, незадолго РґРѕ этого защитившей диссертацию РїРѕ исследованию полупроводниковых фотоприёмников РІ ИК-области спектра, Р–.И.Алфёров впервые столкнулся СЃ полупроводниками, ставшими главным делом его жизни. Первой проштудированной монографией РїРѕ физике полупроводников стала РєРЅРёРіР° Р¤.Р¤.Волькенштейна «Электропроводность полупроводников», написанная РІРѕ время блокады Ленинграда. Р’ декабре 1952 Рі. проходило распределение. Р–.И.Алфёров мечтал Рѕ Физтехе, возглавляемом Абрамом Фёдоровичем Иоффе, монография которого «Основные представления современной физики» стала для молодого учёного настольной РєРЅРёРіРѕР№. РџСЂРё распределении были три вакансии, Рё РѕРґРЅР° досталась Р–.И.Алфёрову. Жорес Иванович РјРЅРѕРіРѕ позже писал, что его счастливая жизнь РІ науке была предопределена именно этим распределением. Р’ РїРёСЃСЊРјРµ родителям РІ РњРёРЅСЃРє РѕРЅ сообщил Рѕ выпавшем ему РѕРіСЂРѕРјРЅРѕРј счастье работать РІ институте Иоффе. Жорес тогда ещё РЅРµ знал, что Абрама Фёдоровича Р·Р° РґРІР° месяца РґРѕ этого вынудили уйти РёР· созданного РёРј института, РіРґРµ РѕРЅ директорствовал более 30 лет.

Систематические исследования полупроводников в Физико-техническом институте были начаты ещё в 30-е гг. прошлого века. В 1932 г. В.П.Жузе и Б.В.Курчатов исследовали собственную и примесную проводимость полупроводников. В том же году А.Ф.Иоффе и Я.И.Френкель создали теорию выпрямления тока на контакте металл–полупроводник, основанную на явлении туннелирования. В 1931-м и 1936 гг. Я.И.Френкель опубликовал свои знаменитые работы, в которых предсказал существование экситонов в полупроводниках, введя сам этот термин и разработав теорию экситонов. Первая диффузионная теория выпрямляющего p–n-перехода, ставшая основой теории p–n-перехода В.Шокли, была опубликована Б.И.Давыдовым в 1939 г. По инициативе А.Ф.Иоффе с конца 40-х гг. в Физтехе были начаты исследования интерметаллических соединений.

30 января 1953 г. Ж.И.Алфёров приступил к работе у нового научного руководителя, в то время заведующего сектором, кандидата физико-математических наук Владимира Максимовича Тучкевича. Перед небольшим коллективом сектора была поставлена очень важная задача: создание первых отечественных германиевых диодов и транзисторов с p–n-переходами (см. «Физику» № 40/2000, В.В.Рандошкин. Транзистор). Тема «Плоскость» была поручена правительством параллельно четырём институтам: ФИАНу и ФТИ в Академии наук, ЦНИИ-108 – главному в то время радиолокационному институту Министерства обороны в Москве (во главе с академиком А.И.Бергом) – и НИИ-17 – головному институту электронной техники во Фрязино, под Москвой.

Физтех в 1953 г., по нынешним меркам, был небольшим институтом. Ж.И.Алфёров получил пропуск № 429 (что означало численность всех сотрудников института на тот момент). Потом большинство знаменитых физтеховцев уехали в Москву к И.В.Курчатову и в другие вновь создаваемые «атомные» центры. «Полупроводниковая элита» ушла вместе с А.Ф.Иоффе в недавно организованную лабораторию полупроводников при президиуме АН СССР. В ФТИ из «старшего» поколения «полупроводниковцев» остались лишь Д.Н.Наследов, Б.Т.Коломиец и В.М.Тучкевич.

Новый директор ЛФТИ, академик А.П.Комар, далеко не лучшим образом вёл себя по отношению к своему предшественнику, но в развитии института избрал вполне разумную стратегию. Основное внимание уделялось поддержке работ по созданию качественно новой полупроводниковой электроники, космических исследований (газодинамика больших скоростей и высокотемпературные покрытия — Ю.A.Дунаев) и разработке методов разделения лёгких изотопов для водородного оружия (Б.П.Константинов). Не забывались и чисто фундаментальные исследования: именно в это время был экспериментально открыт экситон (Е.Ф.Гросс), созданы основы кинетической теории прочности (С.Н.Журков), начаты работы по физике атомных столкновений (В.М.Дукельский, К.В.Федоренко). Блестящий доклад Е.Ф.Гросса об открытии экситона прозвучал на первом для Ж.И.Алфёрова полупроводниковом семинаре в Физтехе в феврале 1953 г. Он испытал ни с чем не сравнимое ощущение – быть свидетелем рождения выдающегося открытия в той области науки, в которой делаешь свои первые шаги.

Дирекция ФТИ прекрасно понимала необходимость привлечения молодёжи в науку, и каждый приходящий молодой специалист проходил собеседование в дирекции. Именно в это время были приняты в Физтех будущие члены Академии наук СССР Б.П.Захарченя, А.А.Каплинский, Е.П.Мазец, В.В.Афросимов и многие другие.

В Физтехе Ж.И.Алфёров очень быстро дополнил свое инженерно-техническое образование физическим и стал высококлассным специалистом по квантовой физике полупроводниковых приборов. Главной была работа в лаборатории – Алфёрову посчастливилось быть участником рождения советской полупроводниковой электроники. Жорес Иванович как реликвию хранит свой лабораторный журнал того времени с записью о создании им 5 марта 1953 г. первого советского транзистора с p–n-переходом. Сегодня можно удивляться, как очень небольшой коллектив очень молодых сотрудников под руководством В.М.Тучкевича в течение нескольких месяцев разработал основы технологии и метрологии транзисторной электроники: А.А.Лебедев – получение и легирование совершенных монокристаллов германия, Ж.И.Алфёров – получение транзисторов с параметрами на уровне лучших мировых образцов, А.И.Уваров и С.М.Рывкин – создание прецизионной метрики кристаллов германия и транзисторов, Н.С.Яковчук – разработка схем на транзисторах. В этой работе, которой коллектив отдавался со всей страстью молодости и сознанием высочайшей ответственности перед страной, очень быстро и эффективно шло формирование молодого учёного, понимание значения технологии не только для создания новых электронных приборов, но и для физических исследований, роли и значения «мелких», на первый взгляд, деталей в эксперименте, необходимости понимания «простых» основ прежде выдвигания «высоконаучных» объяснений неудачных результатов.

Уже в мае 1953 г. первые советские транзисторные приёмники демонстрировались «высокому начальству», а в октябре в Москве работу принимала правительственная комиссия. ФТИ, ФИАН и ЦНИИ-108, используя разные методики конструирования и технологии изготовления транзисторов, успешно решили задачу, и лишь НИИ-17, слепо копируя известные американские образцы, провалил работу. Правда, созданному на основе одной из его лабораторий первому в стране полупроводниковому институту НИИ-35 и была поручена разработка промышленной технологии транзисторов и диодов с p–n-переходами, с которой они успешно справились.

В последующие годы небольшой коллектив «полупроводниковцев» ФТИ заметно расширился, и в очень короткое время в лаборатории уже доктора физмат наук профессора В.М.Тучкевича были созданы первые советские германиевые силовые выпрямители, германиевые фотодиоды и кремниевые солнечные батареи, исследовано поведение примесей в германии и кремнии.

В мае 1958 г. к Ж.И.Алфёрову обратился Анатолий Петрович Александров, будущий президент Академии наук СССР, с просьбой разработать полупроводниковые устройства для первой советской атомной подводной лодки. Для решения этой задачи нужны были принципиально новые технология и конструкция германиевых вентилей. Младшему научному сотруднику лично (!) звонил заместитель Председателя Правительства СССР Дмитрий Фёдорович Устинов. Пришлось на два месяца поселиться прямо в лаборатории, и работа была успешно выполнена в рекордно короткие сроки: уже в октябре 1958 г. устройства стояли на подводной лодке. Для Жореса Ивановича и сегодня полученный в 1959 г. за эту работу первый орден является одной из самых ценных наград!

Ж.И.Алфёров после вручения правительственной награды за работы по заказу ВМФ СССР

Установка вентилей была связана с многочисленными поездками в Северодвинск. Когда на «приёмку темы» приехал заместитель главкома ВМС и ему доложили, что теперь па подлодках стоят новые германиевые вентили, адмирал поморщился и раздражённо спросил: «А что же, отечественных не нашлось?».

В Кирово-Чепецке, где усилиями многих сотрудников Физтеха велись работы по разделению изотопов лития с целью создания водородной бомбы, Жорес познакомился со многими замечательными людьми и живо их описывал. Б.Захарченя запомнил такой его рассказ о Борисе Петровиче Звереве – зубре «оборонки» сталинских времён, главном инженере завода. Во время войны, в самое её тяжёлое время, он руководил предприятием, занимавшимся электролитическим получением алюминия. В технологическом процессе использовалась патока, хранившаяся в огромном чане прямо в цехе. Голодные рабочие её разворовывали. Борис Петрович созвал рабочих на собрание, произнёс прочувствованную речь, затем поднялся по лестнице к верхнему краю чана, расстегнул штаны и помочился на виду у всех в чан с патокой. На технологию это не повлияло, но патоку уже никто не воровал. Жореса очень забавляло это чисто русское решение вопроса.

За успешную работу Ж.И.Алфёров регулярно поощрялся денежными премиями, вскоре получил звание старшего научного сотрудника. В 1961 г. он защитил кандидатскую диссертацию, посвящённую в основном разработке и исследованию мощных германиевых и частично кремниевых выпрямителей. Заметим, что в этих приборах, как и во всех ранее созданных полупроводниковых приборах, использовались уникальные физические свойства p–n-перехода – искусственно созданного в полупроводниковом монокристалле распределения примесей, при котором в одной части кристалла носителями заряда являются отрицательно заряженные электроны, а в другой – положительно заряженные квазичастицы, «дырки» (латинские n и p как раз и значат negative и positive). Поскольку различается лишь тип проводимости, а вещество одно и то же, p–n-переход можно назвать гомопереходом.

Благодаря p–n-переходу в кристаллах удалось осуществить инжекцию электронов и дырок, а простая комбинация двух p–n-переходов позволила реализовать монокристаллические усилители с хорошими параметрами – транзисторы. Наибольшее распространение получили структуры с одним p–n-переходом (диоды и фотоэлементы), двумя p–n-переходами (транзисторы) и тремя p–n-переходами (тиристоры). Всё дальнейшее развитие полупроводниковой электроники шло по пути исследования монокристаллических структур на основе германия, кремния, полупроводниковых соединений типа А^IIIB^V (элементов III и V групп Периодической системы Менделеева). Улучшение свойств приборов шло главным образом по пути совершенствования методов формирования p–n-переходов и использования новых материалов. Замена германия кремнием позволила поднять рабочую температуру приборов и создать высоковольтные диоды и тиристоры. Успехи в технологии получения арсенида галлия и других оптических полупроводников привели к созданию полупроводниковых лазеров, высокоэффективных источников света и фотоэлементов. Комбинации диодов и транзисторов на одной монокристаллической кремниевой подложке стали основой интегральных схем, на которых базировалось развитие электронно-вычислительной техники. Миниатюрные, а затем и микроэлектронные приборы, создаваемые в основном на кристаллическом кремнии, буквально смели электровакуумные лампы, позволив уменьшить в сотни и тысячи раз размеры устройств. Достаточно вспомнить старые ЭВМ, занимавшие огромные помещения, и их современный эквивалент ноутбук – компьютер, напоминающий маленький атташе-кейс, или «дипломат», как его называют в России.

Но предприимчивый, живой ум Ж.И.Алфёрова искал свой путь в науке. И он был найден, несмотря на крайне тяжёлую жизненную ситуацию. После молниеносной первой женитьбы ему пришлось так же молниеносно развестись, потеряв квартиру. В результате скандалов, устроенных свирепой тёщей в парткоме института, Жорес поселился в полу-подвальной комнате старого физтеховского дома.

Один из выводов кандидатской диссертации гласил, что p–n-переход в гомогенном по составу полупроводнике (гомоструктура) не может обеспечить оптимальные параметры многих приборов. Стало ясно, что дальнейший прогресс связан с созданием p–n-перехода на границе разных по химическому составу полупроводников (гетероструктурах).

В связи с этим сразу после появления первой работы, в которой была описана работа полупроводникового лазера на гомоструктуре в арсениде галлия, Ж.И.Алфёров выдвинул идею использования гетероструктур. Поданная заявка на выдачу авторского свидетельства на это изобретение по законам того времени была засекречена. Лишь после публикации аналогичной идеи Г.Крёмером в США гриф секретности был снижен до уровня «для служебного пользования», но авторское свидетельство было опубликовано лишь много лет спустя.

Лазеры на гомопереходах были неэффективны из-за высоких оптических и электрических потерь. Пороговые токи были очень высоки, а генерация осуществлялась только при низких температурах. В своей статье Г.Крёмер предложил использовать двойные гетероструктуры для пространственного ограничения носителей в активной области. Он предположил, что «с помощью пары гетеропереходных инжекторов лазерная генерация может быть осуществлена во многих непрямозонных полупроводниках и улучшена в прямозонных». В авторском свидетельстве Ж.И.Алфёрова также отмечалась возможность получения высокой плотности инжектированных носителей и инверсной заселённости с помощью «двойной» инжекции. Указывалось, что лазеры на гомопереходах могут обеспечить «непрерывный режим генерации при высоких температурах», к тому же возможно «увеличение излучающей поверхности и использование новых материалов для получения излучения в различных областях спектра».

Первоначально теория развивалась существенно быстрее, чем практическая реализация устройств. В 1966 г. Ж.И.Алфёров сформулировал общие принципы управления электронными и световыми потоками в гетероструктурах. Чтобы избежать засекречивания, в названии статьи были упомянуты лишь выпрямители, хотя эти же принципы были применимы и к полупроводниковым лазерам. Он предсказал, что плотность инжектированных носителей может быть на много порядков выше (эффект «суперинжекции»).

Идея использования гетероперехода была выдвинута на заре развития электроники. Уже в первом патенте, связанном с транзисторами на p–n-переходе, В.Шокли предложил для получения односторонней инжекции использовать широкозонный эмиттер. Важные теоретические результаты на ранней стадии исследования гетероструктур были получены Г.Крёмером, который ввёл понятия квазиэлектрических и квазимагнитных полей в плавном гетеропереходе и предположил чрезвычайно высокую эффективность инжекции гетеропереходов по сравнению с гомопереходами. Тогда же появились различные предложения по использованию гетеропереходов в солнечных батареях.

Итак, реализация гетероперехода открывала возможность создания более эффективных приборов для электроники и уменьшения размеров устройств буквально до атомных масштабов. Однако заниматься гетеропереходами Ж.И.Алфёрова отговаривали многие, в том числе и В.М.Тучкевич, неоднократно вспоминавший впоследствии об этом в речах и тостах, подчёркивая смелость Жореса Ивановича и дар предвидеть пути развития пауки. В то время существовал всеобщий скептицизм по поводу создания «идеального» гетероперехода, тем более с теоретически предсказываемыми инжекционными свойствами. И в пионерских работа Р.Л.Андерсена по исследованию эпитаксиального ( [таксис] означает расположение в порядке, построение) перехода Ge–GaAs с совпадающими постоянными кристаллической решётки отсутствовали доказательства инжекции неравновесных носителей в гетероструктурах.

Максимальный эффект ожидался при использовании гетеропереходов между полупроводником, служащим активной областью прибора, и более широкозонным полупроводником. В качестве наиболее перспективных в то время рассматривались системы GaP–GaAs и AlAs–GaAs. Для «совместимости» эти материалы в первую очередь должны были удовлетворять самому важному условию: иметь близкие значения постоянной кристаллической решётки.

Дело в том, что многочисленные попытки реализовать гетеропереход были безуспешными: ведь не только размеры элементарных ячеек кристаллических решёток полупроводников, составляющих переход, должны практически совпадать, но и их тепловые, электрические, кристаллохимические свойства должны быть близкими, как и их кристаллические и зонные структуры.

Такую гетеропару найти не удавалось. И вот за это, казалось бы, безнадёжное дело взялся Ж.И.Алфёров. Нужный гетеропереход, как оказалось, можно было формировать путём эпитаксиального выращивания, когда один монокристалл (вернее, его монокристаллическая плёнка) наращивался на поверхности другого монористалла буквально послойно – один монокристаллический слой за другим. К нашему времени разработано много методов такого выращивания. Это и есть те самые высокие технологии, которые обеспечивают не только процветание электронных фирм, но и безбедное существование целых стран.

Б.П.Захарченя вспоминал, что маленькая рабочая комната Ж.И.Алфёрова вся была завалена рулонами миллиметровой бумаги, на которой неутомимый Жорес Иванович с утра до вечера чертил диаграммы состав–свойство многофазных полупроводниковых соединений в поисках сопрягающихся кристаллических решёток. Для идеального гетероперехода подходили арсенид галлия (GaAs) и арсенид алюминия (AlAs), но последний мгновенно окислялся на воздухе, и о его использовании, казалось, не могло быть и речи. Однако природа щедра на неожиданные подарки, нужно лишь подобрать ключи к её кладовым, а не заниматься грубым взломом, к которому призывал лозунг «Мы не можем ждать милостей от природы, взять их у неё – наша задача». Такие ключи уже были подобраны замечательным специалистом по химии полупроводников, физтеховской сотрудницей Ниной Александровной Горюновой, подарившей миру знаменитые соединения A^IIIB^V. Занималась она и более сложными тройными соединениями. Жорес Иванович всегда с огромным пиететом относился к таланту Нины Александровны и сразу понял её выдающуюся роль в науке.

Первоначально была предпринята попытка создать двойную гетероструктуру GaP_0,15As_0,85–GaAs. И она была выращена методом газофазной эпитаксии, а на ней был сформирован лазер. Однако из-за небольшого несоответствия постоянных решётки он, как и лазеры на гомопереходах, мог работать только при температуре жидкого азота. Ж.И.Алфёрову стало ясно, что таким путём реализовать потенциальные преимущества двойных гетероструктур не удастся.

Непосредственно с Жоресом Ивановичем работал один из учеников Горюновой, Дмитрий Третьяков, талантливый учёный с богемной душой в её неповторимой российской версии. Автор сотен работ, воспитавший многих кандидатов и докторов наук, лауреат Ленинской премии – высшего в то время знака признания творческих заслуг, – не защищал никакой диссертации. Он сообщил Жоресу Ивановичу, что неустойчивый сам по себе арсенид алюминия абсолютно устойчив в тройном соединении AlGaAs, так называемом твёрдом растворе. Свидетельством этому были давно выращенные путём охлаждения из расплава Александром Борщевским, тоже учеником Н.А.Горюновой, кристаллы этого твёрдого раствора, хранившиеся у него в столе уже несколько лет. Примерно так в 1967 г. была найдена ставшая теперь классической в мире микроэлектроники гетеропара GaAs–AlGaAs.

Изучение фазовых диаграмм, кинетики роста в этой системе, а также создание модифицированного метода жидкофазной эпитаксии, пригодного для выращивания гетероструктур, вскоре привели к созданию гетероструктуры, согласованной по параметру кристаллической решётки. Ж.И.Алфёров вспоминал: «Когда мы опубликовали первую работу на эту тему, мы были счастливы считать себя первыми, кто обнаружил уникальную, фактически идеальную, решёточно-согласованную систему для GaAs». Однако почти одновременно (с отставанием на месяц!) и независимо гетероструктура Al_xGa_1–xAs–GaAs была получена в США сотрудниками фирмы IBM.

С этого момента реализация главных преимуществ гетероструктур пошла стремительно. Прежде всего экспериментально были подтверждены уникальные инжекционные свойства широкозонных эмиттеров и эффект суперинжекции, продемонстрировано стимулированное излучение в двойных гетероструктурах, установлена зонная структура гетероперехода Al_xGa_1–xAs, тщательно изучены люминесцентные свойства и диффузия носителей в плавном гетеропереходе, а также чрезвычайно интересные особенности протекания тока через гетеропереход, например, диагональные туннельно-рекомбинационные переходы непосредственно между дырками из узкозонной и электронами из широкозонной составляющих гетероперехода.

В то же время основные преимущества гетероструктур были реализованы группой Ж.И.Алфёрова:

– в низкопороговых лазерах на двойных гетероструктурах, работающих при комнатной температуре;

– в высокоэффективных светодиодах на одинарной и двойной гетероструктурах;

– в солнечных элементах на гетероструктурах;

– в биполярных транзисторах на гетероструктурах;

– в тиристорных p–n–p–n гетероструктурах.

Если возможность управления типом проводимости полупроводника с помощью легирования различными примесями и идея инжекции неравновесных носителей заряда были теми семенами, из которых выросла полупроводниковая электроника, то гетероструктуры давали возможность решить значительно более общую проблему управления фундаментальными параметрами полупроводниковых кристаллов и приборов, такими, как ширина запрещённой зоны, эффективные массы носителей заряда и их подвижности, показатель преломления, электронный энергетический спектр и т.д.

Идея полупроводниковых лазеров на p–n-переходе, экспериментальное наблюдение эффективной излучательной рекомбинации в p–n-структуре на основе GaAs с возможностью стимулированного излучения и создание лазеров и светоизлучающих диодов на p–n-переходах были теми зёрнами, из которых начала расти полупроводниковая оптоэлектроника.

В 1967 г. Жорес Иванович был избран заведующим сектором ФТИ. Тогда же он впервые побывал в короткой научной командировке в Англии, где обсуждались лишь теоретические аспекты физики гетероструктур, поскольку английские коллеги считали экспериментальные исследования неперспективными. Хотя в великолепно оборудованных лабораториях имелись все возможности для экспериментальных исследований, англичане даже не задумывались о том, что они могут сделать. Жорес Иванович со спокойной совестью тратил время для ознакомления с архитектурными и художественниками памятниками в Лондоне. Нельзя было вернуться и без свадебных подарков, поэтому пришлось посетить «музеи материальной культуры» – роскошные по сравнению с советскими западные магазины.

Молодожёны Ж.И.Алфёров и Т.Г.Дарская (1967 г.)

Невестой была Тамара Дарская, дочь актёра Воронежского театра музыкальной комедии Георгия Дарского. Она работала в Химках под Москвой в космической фирме академика В.П.Глушко. Свадьба состоялась в ресторане «Крыша» в гостинице «Европейская» – в то время это было вполне по карману кандидату наук. Семейный бюджет позволял и еженедельные полёты по маршруту Ленинград–Москва и обратно (даже студент на стипендию мог раз-другой в месяц слетать на самолёте Ту-104, поскольку билет стоил всего 11 рублей при тогдашнем официальном курсе 65 копеек за доллар). Через полгода супруги всё-таки решили, что Тамаре Георгиевне лучше переехать в Ленинград.

И уже в 1968 г. на одном из этажей «полимерного» корпуса Физтеха, где в эти годы располагалась лаборатория В.М.Тучкевича, «загенерил» первый в мире гетеролазер. После этого Ж.И.Алфёров сказал Б.П.Захарчене: «Боря, я гетеропереходирую всю полупроводниковую микроэлектронику!» В 1968–1969 гг. группой Ж.И.Алфёрова были практически реализованы все основные идеи управления электронными и световыми потоками в классических гетероструктурах на основе системы GaAs–AlAs и показаны преимущества гетероструктур в полупроводниковых приборах (лазерах, светодиодах, солнечных батареях и транзисторах). Важнейшим было, конечно, создание низкопороговых, работающих при комнатной температуре лазеров на двойной гетероструктуре, предложенной Ж.И.Алфёровым ещё в 1963 г. Американские конкуренты (М.Б.Паниш и И.Хаяши из Bell Telephone, Г.Крессель из RCA), знавшие о потенциальных преимуществах двойных гетероструктур, не отважились на их реализацию и использовали в лазерах гомоструктуры. С 1968 г. реально началось очень жёсткое соревнование, прежде всего с тремя лабораториями известных американских фирм: Bell Telephone, IBM и RCA.

Доклад Ж.И.Алфёрова на Международной конференции по люминесценции в Ньюарке (США) в августе 1969 г., в котором приводились параметры низкопороговых, работающих при комнатной температуре лазеров на двойных гетероструктурах, произвёл на американских коллег впечатление разорвавшейся бомбы. Профессор Я.Панков из RCA, только что, за полчаса до доклада, сообщивший Жоресу Ивановичу, что, к сожалению, для его визита на фирму нет разрешения, сразу после доклада обнаружил, что оно получено. Ж.И.Алфёров не отказал себе в удовольствии ответить, что теперь у него нет времени, поскольку IBM и Bell Telephone уже пригласили посетить их лаборатории ещё до доклада. После этого, как писал И.Хаяши, в Bell Telephone удвоили усилия по разработке лазеров на двойных гетероструктурах.

Семинар в Bell Telephone, осмотр лабораторий и дискуссия (а американские коллеги явно не скрывали, в расчёте на взаимность, технологические детали, конструкции и приспособления) довольно чётко показали достоинства и недочёты разработок ЛФТИ. Наступившее вскоре соперничество за достижение непрерывного режима работы лазеров при комнатной температуре было редким в то время примером открытого соревнования лабораторий из двух антагонистических великих держав. Ж.И.Алфёров с сотрудниками выиграли это соревнование, опередив на месяц группу М.Паниша из Bell Telephone!

Р’ 1970 Рі. Р–.И.Алфёров Рё его сотрудники Ефим Портной, Дмитрий Третьяков, Дмитрий Гарбузов, Вячеслав Андреев, Владимир Корольков создали первый полупроводниковый гетеролазер, работающий РІ непрерывном режиме РїСЂРё комнатной температуре. Независимо Рѕ непрерывном режиме лазерной генерации РІ лазерах РЅР° двойных гетероструктурах (СЃ алмазным теплоотводом) Ицуо Хаяши Рё Мортон Паниш сообщили РІ статье, направленной РІ печать лишь РЅР° месяц позже. Непрерывный режим лазерной генерации РІ Физтехе был реализован РІ лазерах СЃ полосковой геометрией, для создания которых использовалась фотолитография, РїСЂРё этом лазеры устанавливались РЅР° медных теплоотводах, покрытых серебром. Самая низкая плотность РїРѕСЂРѕРіРѕРІРѕРіРѕ тока РїСЂРё комнатной температуре составляла 940 Рђ/СЃРј² для широких лазеров Рё 2,7 РєРђ/СЃРј² для полосковых. Реализация такого режима генерации вызвала взрыв интереса. Р’ начале 1971 Рі. РјРЅРѕРіРёРµ университеты Рё промышленные лаборатории РІ РЎРЁРђ, РЎРЎРЎР , Великобритании, РЇРїРѕРЅРёРё, Бразилии Рё Польше начали исследование гетероструктур Рё РїСЂРёР±РѕСЂРѕРІ РЅР° РёС… РѕСЃРЅРѕРІРµ.

Большой вклад в понимание электронных процессов в гетеролазерах внёс теоретик Рудольф Казаринов. Время генерации первого лазера было коротким. Жорес Иванович признавался, что его хватило ровно на столько, чтобы измерить параметры, необходимые для статьи. Продление срока службы лазеров было делом довольно трудным, но оно было успешно решено усилиями физиков и технологов. Теперь обладатели плееров с компакт-дисками в большинстве своём не подозревают, что звуковая и видеоинформация считывается полупроводниковым гетеролазером. Такие лазеры используются во многих оптоэлектронных устройствах, но в первую очередь – в устройствах волоконно-оптической связи и различных телекоммуникационных систем. Нашу жизнь трудно представить без гетероструктурных светодиодов и биполярных транзисторов, без малошумящих транзисторов с высокой подвижностью электронов для высокочастотных применений, включая, в частности, системы спутникового телевидения. Вслед за лазером на гетеропереходах были созданы многие другие приборы, вплоть до преобразователей солнечной энергии.

Значение получения непрерывного режима работы лазеров на двойных гетеропереходах при комнатной температуре прежде всего связано с тем, что в это же время было создано оптическое волокно с малыми потерями. Это привело к рождению и бурному развитию волоконно-оптических систем связи. В 1971 г. эти работы были отмечены присуждением Ж.И.Алфёрову первой международной награды – золотой медали Баллантайна Франклиновского института в США. Особая ценность этой медали, как отмечал Жорес Иванович, заключается в том, что Франклиновский институт в Филадельфии присуждал медали и другим советским учёным: в 1944 г. академику П.Л.Капице, в 1974 г. академику Н.Н.Боголюбову, а в 1981 г. академику А.Д.Сахарову. Попасть в такую компанию – большая честь.

Присуждение Жоресу Ивановичу медали Баллантайна имеет предысторию, связанную с его другом. Одним из первых физтеховцев в 1963 г. в США попал Б.П.Захарченя. Он облетел почти всю Америку, встретился с такими светилами, как Ричард Фейнман, Карл Андерсон, Лео Сциллард, Джон Бардин, Уильям Фэрбэнк, Артур Шавлов. В Иллинойсском университете Б.П.Захарченя познакомился с Ником Холоньяком, создателем первого эффективного светодиода на арсениде-фосфиде галлия, излучающего свет в видимой области спектра. Ник Холоньяк – один из крупнейших американских учёных, ученик Джона Бардина, единственного в мире дважды лауреата Нобелевской премии по одной специальности (физике). Недавно он получил премию как один из основателей нового направления в науке и технике – оптоэлектроники.

Ник Холоньяк родился в США, куда ещё до Октябрьской революции эмигрировал из Галиции его отец, простой шахтёр. Он блистательно окончил Иллинойсский университет, и его имя золотой прописью занесено на специальную «Доску почёта» этого университета. Б.П.Захарченя вспоминал: «Белоснежная рубашка, галстук-бабочка, короткая стрижка по моде 60-х годов и, наконец, спортивная фигура (он поднимал штангу) делали его типичным американцем. Это впечатление ещё более укреплялось, когда Ник говорил на своём родном американском языке. Но вдруг он переходил на язык своего отца, и от американского джентльмена ничего не оставалось. Это был не русский язык, но удивительная смесь русского с русинским (близким к украинскому), сдобренная солёными шахтёрскими шуточками и крепкими крестьянскими выражениями, усвоенными от родителей. При этом профессор Холоньяк очень заразительно смеялся, на глазах превращаясь в озорного русинского парня».

В том далёком 1963 г., показывая Б.П.Захарчене под микроскопом миниатюрный светодиод, ярко сиявший зелёным, профессор Холоньяк говорил: «Подивись, Борис, на мое свитло. Нэкс тайм скажи там у вашем институте, может, кто захоче приихати сюда до Иллинойссу из ваших хлопцев. Я буду учить его робыть таки свитла».

Слева направо: Ж.И.Алфёров, Джон Бардин, В.М.Тучкевич, Ник Холоньяк (Иллинойсский университет, Урбана, 1974 г.)

Через семь лет в лабораторию к Нику Холоньяку приехал Жорес Алфёров (будучи уже знакомым с ним, – в 1967 г. Холоньяк посещал лабораторию Алфёрова в физтехе). Жорес Иванович не был тем «хлопцем», которому нужно учиться «робытъ свитла». Сам мог научить. Его приезд был очень удачным: Франклиновский институт в это время как раз присуждал очередную медаль Баллантайна за лучшие работы по физике. Лазеры были в моде, а новый гетеролазер, сулящий огромные практические перспективы, привлёк особое внимание. Конкуренты были, но публикации группы Алфёрова были первыми. Поддержка работ советских физиков такими авторитетами, как Джон Бардин и Ник Холоньяк, наверняка повлияла на решение комиссии. Очень важно в любом деле оказаться в нужном месте и в нужное время. Не окажись тогда Жорес Иванович в Штатах, не исключено, что эта медаль досталась бы конкурентам, хотя первым-то был он. Известно, что «чины людьми даются, а люди могут обмануться». В эту историю было вовлечено много американских учёных, для которых доклады Алфёрова о первом лазере на двойной гетероструктуре были полной неожиданностью.

Алфёров и Холоньяк стали близкими друзьями. В процессе разнообразных контактов (визиты, письма, семинары, телефонные разговоры), играющих важную роль в работе и жизни каждого, они регулярно обсуждают проблемы физики полупроводников и электроники, а также жизненные аспекты.

Практически казавшаяся счастливым исключением гетероструктура Al_xGa_1–xAs была в дальнейшем бесконечно расширена многокомпонентными твёрдыми растворами – сначала теоретически, затем экспериментально (самый яркий пример – InGaAsP).

Космическая станция «Мир» с солнечными батареями на основе гетероструктур

РћРґРЅРёРј РёР· первых опытов успешного применения гетероструктур РІ нашей стране стало использование солнечных батарей РІ космических исследованиях. Солнечные батареи РЅР° РѕСЃРЅРѕРІРµ гетероструктур были созданы Р–.И.Алфёровым Рё сотрудниками ещё РІ 1970 Рі. Технология была передана РІ РќРџРћ «Квант», Рё солнечные элементы РЅР° РѕСЃРЅРѕРІРµ GaAlAs устанавливались РЅР° РјРЅРѕРіРёС… отечественных спутниках. РљРѕРіРґР° американцы опубликовали СЃРІРѕРё первые работы, советские солнечные батареи уже летали РЅР° спутниках. Было развёрнуто РёС… промышленное производство, Р° РёС… 15-летняя эксплуатация РЅР° станции «Мир» блестяще доказала преимущества этих структур РІ РєРѕСЃРјРѕСЃРµ. И хотя РїСЂРѕРіРЅРѕР· резкого снижения стоимости РѕРґРЅРѕРіРѕ ватта электрической мощности РЅР° РѕСЃРЅРѕРІРµ полупроводниковых солнечных батарей РїРѕРєР° РЅРµ оправдался, РІ РєРѕСЃРјРѕСЃРµ самым эффективным источником энергии доныне безусловно являются солнечные батареи РЅР° гетероструктуpax соединений A^IIIB^V.

Препятствий на пути Жореса Алфёрова хватало. Как водится, нашим спецслужбам 70-х гг. не нравились его многочисленные заграничные премии, и его пытались не пускать за границу на международные научные конференции. Появились завистники, пытавшиеся перехватить дело и оттереть Жореса Ивановича от славы и средств, необходимых для продолжения и совершенствования эксперимента. Но его предприимчивость, молниеносная реакция и ясный ум помогали преодолевать все эти препятствия. Сопутствовала и «госпожа Удача».

1972 г. был особенно счастливым. Ж.И.Алфёрову и его ученикам-коллегам В.М.Андрееву, Д.З.Гарбузову, В.И.Королькову и Д.Н.Третьякову была присуждена Ленинская премия. К сожалению, в силу сугубо формальных обстоятельств и министерских игр этой вполне заслуженной награды были лишены Р.Ф.Казаринов и Е.Л.Портной. В том же году Ж.И.Алфёров был избран в Академию наук СССР.

В день присуждения Ленинской премии Ж.И.Алфёров был в Москве и позвонил домой, чтобы сообщить об этом радостном событии, но телефон не отвечал. Он позвонил родителям (с 1963 г. они жили в Ленинграде) и радостно сообщил отцу, что его сын – лауреат Ленинской премии, а в ответ услышал: «Что твоя Ленинская премия? У нас внук родился!» Рождение Вани Алфёрова было, безусловно, самой большой радостью 1972 г.

Дальнейшее развитие полупроводниковых лазеров было связано также с созданием лазера с распределённой обратной связью, предложенного Ж.И.Алфёровым в 1971 г. и реализованного несколько лет спустя в ФТИ.

Идея стимулированного излучения в сверхрешётках, высказанная в это же время Р.Ф.Казариновым и Р.А.Сурисом, была реализована четверть века спустя в Bell Telephone. Исследования сверхрешёток, начатые Ж.И.Алфёровым и соавторами в 1970 г., к сожалению, бурно развивались только на Западе. Работы по квантовым ямам и короткопериодным сверхрешёткам в короткое время привели к рождению новой области квантовой физики твёрдого тела – физике низкоразмерных электронных систем. Апогеем этих работ в настоящее время являются исследования нуль-мерных структур – квантовых точек. Получили широкое признание работы в этом направлении, проводимые учениками Ж.И.Алфёрова уже второго и третьего поколений: П.С.Копьёвым, Н.Н.Леденцовым, В.М.Устиновым, С.В.Ивановым. Н.Н.Леденцов стал самым молодым членом-корреспондентом Российской академии наук.

Полупроводниковыми гетероструктурами, в особенности двойными, включая квантовые ямы, проволоки и точки, сейчас занимаются две трети исследовательских групп, работающих в области физики полупроводников.

В 1987 г. Ж.И.Алфёров был избран директором ФТИ, в 1989 г. – председателем президиума Ленинградского научного центра АН СССР, а в апреле 1990 г. – вице-президентом Академии наук СССР. Впоследствии на эти посты он был переизбран уже в Российской академии наук.

Главным для Ж.И.Алфёрова в последние годы было сохранение Академии наук как высшей и уникальной научной и образовательной структуры России. Её хотели уничтожить в 20-е гг. как «наследие тоталитарного царского режима», а в 90-е гг. – как «наследие тоталитарного советского режима». Для её сохранения Ж.И.Алфёров согласился пойти депутатом в Государственную думу последних трёх созывов. Он писал: «Ради этого великого дела мы шли иногда на компромиссы с властью, но не с совестью. Всё, что создало человечество, оно создало благодаря науке. И если уж суждено нашей стране быть великой державой, то она ею будет не благодаря ядерному оружию или западным инвестициям, не благодаря вере в Бога или в президента, а благодаря труду её народа, вере в знание, в науку, благодаря сохранению и развитию научного потенциала и образования». Телевизионные трансляции заседаний Государственной думы неоднократно свидетельствовали о недюжинном общественно-политическом темпераменте и горячей заинтересованности Ж.И.Алфёрова в процветании страны в целом и науки в частности.

Среди других научных наград Ж.И.Алфёрова отметим Хьюлет-Паккардовскую премию Европейского физического общества, Государственную премию СССР, медаль Велькера; премию Карпинского, учреждённую в ФРГ. Ж.И.Алфёров – действительный член Российской академии наук, иностранный член Национальной инженерной академии и Академии наук США, член многих других зарубежных академий.

Будучи вице-президентом Академии наук и депутатом Государственной думы, Ж.И.Алфёров не забывает, что как учёный он вырос в стенах знаменитого Физико-технического института, основанного в Петрограде в 1918 г. выдающимся российским физиком и организатором науки Абрамом Фёдоровичем Иоффе. Этот институт дал физической науке яркое созвездие всемирно известных учёных. Именно в Физтехе Н.Н.Семёновым были проведены исследования цепных реакций, удостоенные впоследствии Нобелевской премии. Здесь работали выдающиеся физики И.В.Курчатов, А.П.Александров, Ю.Б.Харитон и Б.П.Константинов, вклад которых в решение атомной проблемы в нашей стране невозможно переоценить. В Физтехе начинали свою научную деятельность талантливейшие экспериментаторы – нобелевский лауреат П.Л.Капица и Г.В.Курдюмов, физики-теоретики редчайшего дарования – Г.А.Годов, Я.Б.Зельдович и нобелевский лауреат Л.Д.Ландау. Название института всегда будет ассоциироваться с именами одного из основателей современной теории конденсированного состояния Я.И.Френкеля, блестящих экспериментаторов Е.Ф.Гросса и В.М.Тучкевича (на протяжении многих лет возглавлявшего институт).

Ж.И.Алфёров по мере сил содействует развитию Физтеха. При ФТИ была открыта Физико-техническая школа и продолжен процесс создания на базе института специализированных учебных кафедр. (Первая кафедра такого рода – кафедра оптоэлектроники – была создана в ЛЭТИ ещё в 1973 г.) На основе уже существующей и вновь организованных базовых кафедр в Политехническом институте в 1988 г. был создан физико-технический факультет. Развитие академической системы образования в Санкт-Петербурге выразилось в создании медицинского факультета в Университете и комплексного Научно-образовательного центра ФТИ, объединившего школьников, студентов и учёных в одном прекрасном здании, которое можно с полным правом назвать Дворцом знаний. Используя возможности Государственной думы для широкого общения с влиятельными людьми, Ж.И.Алфёров «выбивал» деньги на создание Научно-образовательного центра из каждого премьер-министра (а они так часто меняются). Первый, наиболее существенный взнос сделал В.С.Черномырдин. Теперь огромное здание этого центра, построенного турецкими рабочими, красуется недалеко от Физтеха, наглядно показывая, на что способен предприимчивый человек, одержимый благородной идеей.

С детства Жорес Иванович приучен к выступлениям перед широкой аудиторией. Б.П.Захарченя вспоминает его рассказы о шумном успехе, который он снискал, читая с эстрады чуть ли не в дошкольном возрасте рассказ М.Зощенко «Аристократка»: «Я, братцы мои, не люблю баб, которые в шляпках. Ежели баба в шляпке, ежели чулочки на ней фильдекосовые...»

Десятилетним мальчиком Жорес Алфёров прочитал замечательную книгу Вениамина Каверина «Два капитана» и всю последующую жизнь следует принципу её главного героя Сани Григорьева: «Бороться и искать, найти и не сдаваться!»

Кто он – «вольный» или «свободный»?

Нобелевский диплом Ж.И.Алфёрова

 
Шведский король вручает Ж.И.Алфёрову Нобелевскую премию

Составил
В.В.РАНДОШКИН

по материалам:

Алфёров Ж.И. Физика и жизнь. – СПб.: Наука, 2000.

Алфёров Ж.И. Двойные гетероструктуры: Концепция и применения в физике, электронике и технологии. – Успехи физических наук, 2002, т. 172, № 9.

Наука и человечество. Международный ежегодник. – М., 1976.

http://www.vitebsk.net/age=people&sod=002_00_20010504