В пятницу, 1 марта 2019 года, умер советский и российский физик Жорес Иванович Алфёров. Больше всего он был известен своими разработками в области полупроводниковых гетероструктур — сейчас эти структуры используются в лазерах, светодиодах, высокочастотных транзисторах и других приборах, без которых невозможно представить современную электронику. За исследования гетероструктур в 2000 году Алфёров получил Нобелевскую премию по физике. Он был последним нобелевским лауреатом из ныне живущих в России. В этом материале мы расскажем про открытия Жореса Алфёрова, их применение в науке и повседневной жизни.


Дешевый лазер при комнатной температуре

Один из самых известных примеров гетероструктур, которые изучал Алфёров, — это полупроводниковый лазер, повсеместно применяемый в современной жизни. Чтобы понять, почему эти приборы так важны, проследим за историей их создания и разберемся в принципах их работы.

В основном, природное излучение некогерентно, то есть состоит из смеси волн с разной фазой и частотой. В частности, такую смесь представляет собой свет Солнца и других звезд, излучение лампы накаливания и горящего дерева. К сожалению, работать с таким светом неудобно.

Например, чтобы записать голограмму, нужно тонко подстроить фазы волн, «выжигающих» картинку; чтобы сигнал не «размазывался» при передаче по оптоволокну, его параметры также нужно точно подстраивать. Для природного излучения это практически невозможно. Поэтому физики старались изготовить источник когерентного излучения — лазер.

Основы теории когерентных источников света заложил еще Альберт Эйнштейн, опубликовавший в 1917 году статью «Квантовая теория излучения». В этой статье физик показал, что под действием вынуждающих фотонов молекула испускает когерентное излучение, фаза и направление которого согласовано с фазой и направлением падающих фотонов. Правда, обычно этот эффект пренебрежимо мал по сравнению со спонтанным излучением, в ходе которого возбужденные молекулы самопроизвольно испускают фотоны со случайными параметрами. Именно по этой причине природный свет некогерентен. Чтобы построить лазер, нужно было каким-то образом усилить эффект вынужденной генерации.

К середине 1950-х годов физикам удалось решить эту задачу и построить первый квантовый генератор — аммиачный мазер, который генерировал когерентное микроволновое излучение. За это открытие Николай Басов, Александр Прохоров и Чарльз Таунс в 1964 году получили Нобелевскую премию по физике.

Через несколько лет Теодор Мейнман добился того же эффекта для видимого света, изготовив первый в истории лазер. Этот лазер был основан на кристалле искусственного рубина и работал в импульсном режиме, то есть генерировал излучение только в течение небольшого промежутка времени. Еще через несколько месяцев были разработаны непрерывные газовые лазеры. Однако все эти лазеры были довольно дорогими и громоздкими, а потому перенести их из лаборатории в повседневную жизнь было сложно.

Преодолеть это препятствие помог полупроводниковый лазер, в котором размер области генерации не превышает нескольких микрометров. В основе полупроводникового лазера лежит p-n переход, то есть контакт двух полупроводников с дырочным и электронным типом проводимости.

Напомним, что в n-проводниках заряд переносят отрицательно заряженные квазичастицы-электроны, а в p-проводниках — положительно заряженные квазичастицы-дырки, которые остались после «выдергивания» электронов из электронного «моря». Подробнее про эти квазичастицы можно прочитать в нашем материале «Квантовая азбука: Зоопарк квазичастиц». Когда дырка и электрон сталкиваются, они рекомбинируют и превращаются в фотон. Более того, когда в окрестности такой пары пролетает фотон с нужной энергией, он вызывает вынужденную рекомбинацию, в результате которой рождаются фотон, когерентный исходному фотону.

В обычных полупроводниках такой процесс маловероятен, однако в p-n переходе под напряжением дырки из p-проводника «перетекают» в n-проводник, электроны из n-проводника проникают в p-проводник, и вероятность рекомбинации резко возрастает. Следовательно, p-n переход может генерировать когерентное излучение.

Тем не менее, первые лазеры на основе p-n перехода, построенные в 1962 году, были далеки от совершенства. Во-первых, они работали только в импульсном режиме, поскольку быстро перегревались. Во-вторых, их удавалось запустить только при температуре кипения жидкого азота (−194 градуса Цельсия). В-третьих, пороговый ток таких лазеров был слишком высоким, а потому они больше походили на сварочные аппараты, чем на источники света. Поэтому полупроводниковые лазеры оставались лабораторными «игрушками».

Чтобы избавиться от этих недостатков, в 1963 году Жорес Алфёров и Герберт Крёмер независимо предложили заменить p-n переход полупроводниковыми гетероструктурами. Грубо говоря, такие структуры выглядят как «пирог» (или бутерброд) из слоев с разным типом проводимости и разной шириной запрещенной зоны. Такая форма позволяет ограничить активную область, в которой рекомбинируют электроны и дырки, уменьшить потери энергии и существенно усилить когерентное излучение.

Впрочем, чтобы добиться резонанса, параметры полупроводников, составляющих «пирог», должны быть точно подобраны. По этой причине полупроводниковые лазеры были созданы далеко не сразу. В частности, группа Алфёрова искала подходящую гетероструктуру около пяти лет, пока не обнаружила ее случайно в соседней лаборатории, принадлежавшей Нине Горюновой. Впервые лазерный эффект с этой гетероструктурой физики зарегистрировали в сентябре 1967 года. Еще через год построили первый полупроводниковый лазер, который непрерывно генерировал излучение при комнатной температуре.

В настоящее время большинство производимых лазеров относится именно к полупроводниковым лазерам на основе гетероструктур (DH lasers). Причина такой популярности проста: полупроводниковые лазеры гораздо дешевле и меньше, чем другие типы квантовых излучателей (например, газовые лазеры).

Во-первых, такие лазеры передают информацию по оптоволокну, без которого невозможно представить интернет и мобильную связь. Так, когда вы говорите по телефону, сигнал летит по воздуху только до ближайшей сотовой вышки, после чего «ныряет» в оптоволокно (подробнее об устройстве сотовой сети можно прочитать в этой статье). Во-вторых, полупроводниковые лазеры считывают и записывают информацию на CD, DVD и Blu-ray диски. В-третьих, DH-лазеры используются в лазерных принтерах, печатающих книги, журналы и газеты. Наконец, широко известные лазерные указки также основаны на этом типе лазеров.


Младший брат лазера

Побочным продуктом разработки лазеров стали полупроводниковые светодиоды, которые также испускают свет в заданной области спектра, однако не обладают когерентностью квантового генератора. Технически, светодиод — это тот же лазер, только в нем нет обратной связи, необходимой для отбора когерентных фотонов. Поэтому светодиод изготовить даже проще. В настоящее время практически все производимые светодиоды основаны на гетероструктурах.

Как и полупроводниковые лазеры, светодиоды широко используются в науке и повседневной жизни. В отличие от «традиционных» источников света, таких как лампы накаливания или люминесцентные лампы, светодиоды позволяют легко управлять мощностью, направлением и спектральным составом излучения. По сравнению с «традиционными» источниками, светодиоды потребляют гораздо меньше энергии и гораздо дольше живут (примерно в десять–двадцать раз). Кроме того, они не чувствительны к низким температурам и вибрациям, не содержат ядовитых веществ и очень дешевы.

В настоящее время светодиоды используют практически везде, где требуется искусственное освещение, — в домашних лампах и уличных фонарях, в светофорах и фарах автомобилей, в уличных экранах и бегущих строках. В частности, без светодиодов было бы невозможно изготовить экраны современных компьютеров и смартфонов.


Сверхбыстрый транзистор для мобильной связи

Другой важный пример использования гетероструктур — это высокочастотные и сверхвысокочастотные транзисторы. Главное отличие таких приборов от «обычных» полупроводниковых транзисторов, — это уменьшенная ширина запрещенной зоны базы. Подробно прочитать, как устроен транзистор (в частности, где находится база) можно в разборе «для чайников» [1, 2]. Благодаря такой модификации электронный ток, протекающий через транзистор, существенно возрастает, а дырочный ток остается неизменным. В результате мощность транзистора растет. В то же время, чтобы усиление было контролируемым, нужно уменьшить сопротивление базы (например, сделать ее тоньше). Это, в свою очередь, повышает частоту переключения транзистора и снижает уровень шума. В настоящее время максимальная частота гетероструктурного транзистора превышает 700 гигагерц, что примерно в сто раз больше частоты обычных транзисторов. Без гетероструктур добиться всех этих эффектов было бы невозможно.

Григорий Соколовский, главный научный сотрудник ФТИ им. А.Ф. Иоффе, рассказывает, что в начале научной карьеры (1953–1960 годы) Жорес Алфёров также занимался полупроводниковыми транзисторами — а именно, разрабатывал первые в СССР транзисторы под руководством Владимира Тучкевича. Эта работа должна была сократить разрыв между СССР и США, наметившийся в электронике после изобретения биполярного транзистора Уильямом Шокли. Алфёров успешно справился с этой задачей, а затем переключился на изучение гетероструктур и одним из первых построил гетероструктурный транзистор. Впрочем, основной теоретический вклад в разработку этого прибора внес все-таки американец Герберт Крёмер, получивший Нобелевскую премию вместе с Алфёровым. Первую статью, предлагающую использовать гетероструктуры для увеличения мощности и частоты транзистора, он опубликовал еще в 1957 году.

Высокая мощность и частота, дополненные низким уровнем шума, делают гетероструктурные транзисторы идеальными передатчиками для мобильной связи. С одной стороны, высокая частота позволяет быстро передавать большие потоки информации. С другой, благодаря высокой мощности передатчик генерирует сигнал, который можно отправить на большое расстояние. Таким образом, без гетероструктурных транзисторов в нашей жизни не было бы спутникового телевидения, мобильной связи, мобильного интернета, Wi-Fi и Bluetooth — технологий, без которых представить современную жизнь практически невозможно.



Эффективные солнечные батареи

Наконец, еще одна область, в которой нашли применение гетероструктуры, — это солнечная энергетика (точнее, фотовольтаика). Грубо говоря, солнечная батарея — это светодиод, вывернутый наизнанку: в светодиоде электроны рекомбинируют с дырками и рождают фотоны, а в батарее, наоборот, фотоны превращаются в электроны и дырки, которые под действием электрического напряжения разбегаются в противоположные стороны и генерируют электрический ток.

В принципе, для превращения солнечного света в электричество достаточно одного-единственного p-n перехода, в котором будут рождаться электроны и дырки. К сожалению, эта схема имеет серьезный недостаток: переход между каждыми конкретными типами полупроводников «заточен» только под узкий диапазон энергий, тогда как энергия солнечного излучения размазана по широкому диапазону частот (примерно от 250 до 2000 нанометров). Конечно, изменяя ширину запрещенной зоны p- и n-проводников, можно передвигать этот диапазон, однако расширить его не получится.

Гетероструктуры позволяют решить эту проблему, объединяя в один «пирог» сразу несколько p-n переходов. Первый слой, расположенный ближе всего к поверхности, поглощает синий свет и преобразует его в электрический ток, а остальные волны пропускает дальше. Второй слой «вытягивает» из света энергию зеленых волн, третий слой — красных. В результате суммарный ток и суммарное напряжение, снятое с «пирога», а вместе с ними и коэффициент полезного действия, получается в несколько раз больше, чем в обычной батарее.

Жорес Алфёров предложил идею таких «слоеных» батарей еще в 1971 году — одним из первых. В настоящее время батареи на основе гетероструктур могут превращать в электроэнергию до 46 процентов энергии солнечного света.

К сожалению, «слоеные» солнечные батареи имеют серьезный недостаток: они дорогие. Поэтому массово их не производят. Зато на космические аппараты, для которых важен каждый лишний процент КПД, устанавливают именно гетероструктурные батареи. Кроме того, по словам Григория Соколовского, в последнее время в наземной солнечной энергетике тоже стараются использовать дешевые гетеропереходы, основанные на соединениях одного и того же полупроводника — кремния. Это позволило поднять эффективность батарей до 27 процентов, практически не повышая их стоимости.


Дмитрий Трунин

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.