Нобелевская премия 2000 года по физике (статья Ю.В.Копаева из журнала "Природа" N1, 2001)
Нобелевская премия по физике за 2000 г. присуждена Жоресу Ивановичу Алфсрову (Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе, Санкт-Петербург, Россия), Герберту Крсмеру (Калифорнийский университет, Санта-Барбара, США) и Джеку Килби (компания "Тэксис Инструментс", Даллас, США) за создание основ современной информационной технологии.
Жорес Иванович Алфсров родился в 1930 г. в Витебске. С 1952 г. работает в Физико-техническом институте им. А.Ф.Иоффе РАН, где в 1970 г. получил ученую степень доктора физико-математических наук. С 1987 г. - директор этого института. В 1972 г. избран членом-корреспондентом, а в 1979 г. - действительным членом АН СССР.
Герберт Крсмер (Herbert Kroemer) - уроженец Германии (1928). Докторскую диссертацию по физике защитил в 1952 г. в Гсттингенском университете. Работал в различных институтах и в лаборатории компании RCA (Принстон, США). Профессор физики сначала в Университете штата Колорадо (Боулдер, США, 1968-1976), а затем в Калифорнийском университете.
Джек Килби (Jack S.Kilby) родился в 1923 г. в Джефферсон-Сити (США). Работает в компании "Тэксис Инструментс" (Даллас) с 1958 г. В 1978-1985 гг. был профессором Техасского университета A&M. Ж.И.Алфсров и Г.Крсмер удостоены премии за разработку полупроводниковых гетероструктур, используемых в высокочастотной электронике и оптоэлектронике. Трудно даже перечислить все области их применения сегодня. Высокочастотные транзисторы на основе гетероструктур работают, например, в линиях спутниковой связи. Диодные лазеры на гетероструктурах управляют потоками информации в волоконно-оптических кабелях системы Интернет, в проигрывателях на компакт-дисках, в лазерных принтерах. Светоизлучающие диоды на гетероструктурах заменили лампы накаливания в светофорах.
Дж.Килби награжден за вклад в изобретение интегральных схем. Микроэлектроника, выросшая на этом фундаменте, стала основой современных технологий, и теперь на микрочипах выпускается широчайший ассортимент электронных аппаратов - от часов до мощных компьютеров, способных командовать космическими зондами или решать задачи медицинской диагностики.
Началом современной полупроводниковой эры можно считать открытие транзисторного эффекта в 1947 г. Дж.Бардином, В.Браттейном и У.Шокли (Нобелевская премия за 1956 г.) В течение нескольких лет транзистор вытеснил вакуумные лампы благодаря существенно меньшим размерам и экономии энергии. Вместо нескольких тысяч компонент на вакуумных трубках появились электронные системы с несколькими десятками тысяч компонент на транзисторах, но тоже соединенных между собой припаянными проволочками. Существенным шагом на этом пути был переход от германиевого транзистора к кремниевому ("Тэксис Инструментс", 1954). Преимущества последнего - более высокая температурная и радиационная стабильность плюс наличие прочного окисла, образующего в приборах необходимые диэлектрические прослойки. При этом высоким на атомном уровне оказалось качество границы раздела кремния с его диоксидом.
Идея комбинировать на одном кристалле несколько транзисторов высказывалась еще в начале 50-х годов. Но тогда кощунством показалось бы использовать дорогостоящий чистый кремний для изготовления пассивных элементов (резисторов, конденсаторов и др.), которые делались из более дешевых материалов. К 1958 г. технология производства кремния стала эффективнее. Придя в 1958 г. в лабораторию компании "Тэксис Инструментс", Килби в течение одного лета продемонстрировал возможности изготовления всех дискретных элементов, включая пассивные, на кремнии как базовом материале. А 12 сентября 1958 г. Килби предъявил простейшую интегральную схему, изготовленную на кристалле германия. В феврале 1959 г. он подал патентную заявку на интегральную схему, в которой транзистор изготавливался бы по существовавшей тогда диффузионной технологии, позволяющей получить чередующиеся в перпендикулярном к поверхности направлении p-n-p (или n-p-n) слои. Для электрического подсоединения к каждому из слоев (эмиттеру, базе, коллектору) требовалось локальное вытравливание. Транзисторы и пассивные элементы соединялись золотыми проволоками, хотя в патенте упомянута возможность создания контактов путем напыления золотых полосок на предварительно подготовленный слой диэлектрика.
Тогда же специалисты компании "Фэйрчайлд Электроникс" (Калифорния, США) предложили планарную технологию получения p-n-p (или n-p-n) слоев, которая остается определяющей и по сей день. Эта технология позволяет проще реализовать электрическое соединение элементов схемы, так как все рабочие слои выходят на одну плоскость. Соответствующий вариант интегральной схемы был разработан сотрудником компании Р.Нойсом в январе 1959 г. Принципиально важный вклад Нойса - обнаружение высокой адсорбирующей способности алюминия как к кремнию, так и к его окислу, поэтому он предложил использовать в качестве межсоединений алюминиевые напыленные полоски. Хотя заявку на патент Нойс подал в июле 1959 г., т.е. позже заявки Килби, патент им был получен раньше, в апреле 1961 г., а Килби - только в июне 1964 г. Именно планарная технология и алюминий в качестве материала для межсоединений используются в современных интегральных схемах. К сожалению, Нойс скончался в 1990 г. и лауреатом Нобелевской премии стать не успел.
Естественным дальнейшим шагом в выборе базового полупроводникового материала стал переход к арсениду галлия GaAs как представителю соединений АIIIВV. Большая ширина запрещенной зоны Еg (1.5 эВ вместо 1.1 эВ у Si) обеспечивает более высокую радиационную стойкость и возможность работы приборов до более высоких температур. Хотя для полупроводников типично возрастание эффективной массы электронов с ростом величины Еg, в GaAs эта масса заметно меньше, чем в Si. Отсюда - более высокая подвижность электронов в GaAs, а следовательно, и большие предельные частоты работы приборов. Кроме того, электронное строение GaAs таково, что несколько выше дна зоны проводимости (на 0.4 эВ) находится область, в которой эффективная масса существенно больше (а значит, подвижность - меньше). С ростом электрического поля средняя энергия электронов и соответственно их число в этой дополнительной долине увеличиваются, поэтому сначала происходит замедление роста тока, а затем величина тока падает. Дифференциальная электропроводность становится отрицательной, и благодаря этому в образце возникает генерация высокочастотных колебаний. Это явление, известное как эффект Ганна, нашло практическое применение.
Все это стимулировало совершенствование методов получения GaAs. Пионерами в области физики и технологии полупроводниковых соединений АIIIВV и приборов на их основе были Г.Крсмер, Г.Велькер, Н.А.Горюнова, А.Р.Регель. Однако более высокая стоимость материала GaAs, его повышенная хрупкость, а главное, отсутствие диэлектрика, подходящего в качестве изоляционного материала, не позволили арсениду галлия конкурировать на равных с кремнием в микроэлектронике.
Зато GaAs опережает кремний с точки зрения оптических свойств и использования в оптоэлектронике, поскольку вероятность излучения при рекомбинации неравновесных электронов и дырок в GaAs на несколько порядков выше, чем у кремния. Это обусловлено различием во взаимном расположении зон (проводимости и валентной) в пространстве квазиимпульсов.
Давно казалась заманчивой идея использовать вместо однородных полупроводниковых кристаллов (по-разному легированных - для создания p-n перехода) искусственно синтезированные гетероструктуры из различных полупроводников. Впервые ее высказал Шокли (1951), предложивший в биполярных транзисторах использовать в качестве эмиттера полупроводник с большей, чем в области базы, величиной Еg. Если подобрать такую пару полупроводников, у которых разница в величине Еg будет создаваться, например, за счет разной высоты потолка валентной зоны, то симметрию по инжекции электронов и дырок (в противоположных направлениях), присущую обычным p-n переходам, можно нарушить. В данном случае можно практически исключить инжекцию дырок из базы в эмиттер. Алфсров с сотрудниками показали, что при этом концентрация инжектированных из эмиттера в базу электронов может существенно превысить концентрацию доноров в эмиттере, способных поставлять электроны при ионизации (дополнительные электроны поступают из внешней цепи). Впервые наблюдать это явление суперинжекции удалось группе Алфсрова. (Напомним, что обычно отрицательный пространственный заряд ионизированных акцепторов, возникающий в области базы при инжекции дырок из нее в эмиттер, существенно ограничивает электронную инжекцию в противоположном направлении. В итоге плотность инжектированных в базу электронов оказывается меньше плотности основных носителей в эмиттере).
Большая заслуга Крсмера в этой области состоит в предложении изменять состав полупроводникового соединения с координатой так, чтобы плавно изменять электронные характеристики, например величину Еg. Возникающее при этом "квазиэлектрическое" поле, в отличие от внешнего электрического поля и внутреннего электрического поля p-n перехода, может двигать электроны и дырки в одном и том же направлении. Это нашло широкое применение в приборах на гетероструктурах.
В 1963 г. Ж.И.Алфсров и Р.Ф.Казаринов и независимо Г.Крсмер придумали конструкцию инжекционного лазера на двойной гетероструктуре, подобной структуре биполярного транзистора. Предполагалось среднюю область (аналог базе) сделать из полупроводника с меньшей величиной Еg, в котором (в отличие от транзистора) состояния и электронов, и дырок лежат ниже по энергии, чем соответствующие состояния в областях слева и справа. Такие лазеры должны были бы обладать существенными преимуществами по сравнению с инжекционными лазерами на p-n переходах, предложенными в 1961 г. Н.Г.Басовым, О.Н.Крохиным и Ю.М.Поповым и впервые реализованными Р.Холлом в 1962 г. (За фундаментальные работы, приведшие к созданию усилителей и генераторов на основе мазерного и лазерного принципов, Н.Г.Басов, А.М.Прохоров и Ч.Таунс получили в 1964 г. Нобелевскую премию.) Но из-за больших пороговых токов лазеры на p-n переходах работали только в импульсном режиме и при низких температурах.
