шаховой_юзюк_квантовая и оптоэлектроника

Шаховой Р.А., Юзюк Ю.И.

Рис. II.14. Кривые потенциальной энергии молекулы KrF.

Естественно, эксимер не может существовать бесконечно долго. По истечению определенного времени эксимер переходит в основное состояние и диссоциирует (распадается на атомы). Как только атомы димера переходят в основное состояние, между ними начинает действовать сила отталкивания, и они разлетаются в разные стороны. Тем не менее, эксимер распадается не сразу, поэтому его состояние можно условно назвать долгоживущим. Такое состояние также называют

связанным.

Понятно, что для того чтобы создать эксимер, необходимо затратить энергию. Соответственно, при распаде эксимерной молекулы, эта энергия выделяется. Как Вы уже, видимо, поняли, эта энергия выделяется в виде излучения. Таким образом, если в некотором объеме создать большое количество эксимеров, то может быть получена генерация излучения на переходе между верхним (связанным) и нижним (свободным) состояниями. Такой переход называют связанносвободным. А соответствующий лазер называют эксимерным.

Главной особенность эксимерного лазера является то, что как только в результате генерации молекула перейдет в основное состояние, она немедленно диссоциирует. Это означает, что нижний лазерный уровень будет всегда пустым. Тем не менее, это не означает, что создать инверсию заселенностей в таком лазере очень легко. Так как связанное состояние не является в действительности долгоживущим, то инверсию необходимо создать очень быстро, поэтому нужен очень

мощный разряд.
	Наиболее интересен класс эксимерных лазеров, в которых атом инертного газа в возбуж-
денном состоянии соединяется с атомом галогена. Например, ArF (			нм), KrF (	нм),
XeCl (	нм), XeF (	нм). Как видите, все такие лазеры генерируют в УФ диапазоне.
	Почему галогениды инертных газов образуются в возбужденном состоянии? Оказывается,

что атомы инертных газов в возбужденном состоянии становятся химически сходными с атомами щелочных металлов, которые хорошо реагируют с галогенами. Из школьного курса химии известно, что химические реакции галогенов с щелочными металлами происходит с образованием ионной связи. Т.е. валентный электрон щелочного металла практически полностью переходит к атому галогена. Таким же образом происходит перенос электрона при образовании галогенидов инертных газов. Рассмотрим, например, KrF-лазер.

Накачка KrF-лазера, так же как и большинства остальных эксимерных лазеров, осуществляется электрическим разрядом. Возбужденный атом Kr взаимодействует с молекулой F2 по схеме:

.

В ходе данной химической реакция происходит, как и следовало ожидать, передача электрона от возбужденного атома Kr к атому F. Когда эксимер переходит обратно в основное состояние, электрон вновь переходит к атому Kr, и при этом испускается фотон.

Как видно из рис. II.14, при некотором расстоянии между атомами энергия основного состояния перестает уменьшаться (нижняя кривая). Тем не менее, даже теперь молекула быстро диссоциирует либо сама, либо вследствие первого же столкновения с другой молекулой газовой смеси. Неубывающий участок нижней кривой привод к сужению полосы генерации, т.е. к уменьшению диапазона частот, на которых происходит лазерное излучение.

	КПД эксимерных лазеров довольно высок (			%). Работают они в импульсном режиме.
Имеются эксимерные лазеры с частотой повторения до				Гц и средней выходной мощностью
до	Вт. Более крупные установки работаю со средней мощностью более кВт.
	41

На пути в эру нанотехнологий…

Как было сказано в самом начале, эксимерные лазеры широко используются в медицине. Очень популярной сейчас является лазерная хирургия глаза. Под действием лазера можно испарить необходимые участки роговицы, изменив, таким образом, ее радиус кривизны (при близорукости его уменьшают, при дальнозоркости увеличивают). При этом глубже лежащие структуры глаза не повреждаются!

Самое широкое применение эксимерные лазеры имеют в микроэлектронике. Так как они «генерят» в ультрафиолетовом диапазоне, то лазерный луч можно сфокусировать в точку диаметром менее 300 нм, поэтому их очень удобно использовать в качестве «резца» в фотолитографии. Эксимерные лазеры также используют для импульсного лазерного напыления (см. главу V) являющегося очень распространенным методом изготовления наноматериалов.

Естественно существует огромное количество других газовых лазеров. Наиболее популярными являются азотный, водородный, аргоновый лазеры, CO2- и CO-лазеры, а также лазеры на парах металлов. Познакомиться с данными типами лазеров Вы можете в литературе, приведенной в библиографии [7, 9, 10, 11].

Полупроводниковые лазеры

Как уже говорилось, полупроводниковые лазеры выделяют в особый класс, так как их принципы накачки и генерации существенно отличаются от принципов работы остальных твердотельных лазеров. Это связано с физическими особенностями полупроводниковых материалов.

Надо сказать, что на основе полупроводников были первоначально созданы некогерентные источники света (светоизлучающие диоды – СИД), а лишь затем полупроводниковые лазеры. Поэтому, давайте, сначала познакомимся с видами люминесценции полупроводников и некогерентными источниками света. Затем приступим к рассмотрению принципов работы полупроводниковых лазеров.

Люминесценция полупроводников

Как известно, нагретые тела могут испускать излучение. Так, нить накаливания в лампочке светится как раз потому, что очень сильно нагревается. Такое свечение называется тепловым. Существует также холодное свечение твердых тел, которое называется люминесценцией. Люминесценция – излучение, представляющее собой избыток над тепловым излучением тела. Обычно под люминесценцией понимают излучение видимого света, хотя в настоящее время под этим понятием подразумевают также излучение в ближнем ультрафиолетовом и инфракрасном диапазонах. Тепловое излучение в видимой области спектра заметно только при температуре тела в несколько сотен или тысяч градусов, в то время как люминесцировать оно может при любой температуре. Обычно люминесценцию наблюдают при комнатной и более низкой температуре; при таких те м- пературах тепловое излучение очень мало, и все видимое излучение является люминесценцией. В зависимости о того, каким способом подводится к телу энергия (облучением фотонами, электронами, действием электрического поля и др.), различают фотолюминесценцию, катодолюминесценцию, электролюминесценцию и другие виды люминесценции. Следует отметить, что люминесценция – есть излучение, продолжающееся в течение времени, значительно превышающего период световых колебаний. Эта часть определения люминесценции была введена С. И. Вавиловым, чтобы отделить люминесценцию от других видов рассеяния света.

Рис. II.15. Э лектронные переходы , сопровождающиеся (1,2) и не сопровождающиеся (3) излучением света .

В полупроводниках люминесценция возникает за счет различных электронных переходов (рис. II.15). Понятно, что такие излучательные переходы должны происходить «сверху вниз», т.е. сначала нужно перевести электроны из валентной зоны на какой-либо примесный уровень или в зону проводимости.

42

Шаховой Р.А., Юзюк Ю.И.

Межзонные переходы 1 наиболее вероятны в материалах с прямыми зонами. Излучательные переходы с участием примесных уровней (2) возможны в материалах с прямыми и непрямыми зонами. Примеси, которые образуют подобные уровни, называют центрами свечения (или центрами люминесценции). Переход 2 соответствует рекомбинации электрона и дырки, при которой электрон сначала переходит на промежуточный акцепторный уровень.

Мы с Вами разобрали случай, когда примеси являются центрами свечения. Однако существую примеси, рекомбинация через которые происходит безызлучательно. Такие примеси называют центрами тушения. Переход 3 как раз и является безызлучательным переходом через центр тушения (он специально показан пунктиром).

Соотношение между количеством излучательных и безызлучательных переходов называ-

ется внутренним квантовым выходом люминесценции. Обозначается . Внутренний квантовый выход является важной характеристикой процесса преобразования подводимой энергии в излуч е- ние. Например, при электролюминесценции равен числу созданных фотонов, приходящихся

на один электрон, прошедший через кристалл. Так как не все фотоны выходят из устройства, излучатель часто характеризуют внешним квантовым выходом:

	,
где множитель	учитывает потери, связанные с отражением и поглощением выходящего излу-
чения.

Инжекционный светодиод с p-n-переходом

Светоизлучающий полупроводниковый диод (просто светодиод или СИД) представляет собой p-n-переход, включенный в прямом направлении (рис. II.16). Внешнее напряжение понижает барьер на границе p- и n-областей и создает условия инжекции электронов в p-область и дырок в n-область. В том случае, если электроны и дырки, попавшие в переход, будут рекомбинировать с испусканием фотонов, мы получим источник света. Надо заметить, что процессы рекомбинации будут также наблюдаться и по обе стороны от области p-n-перехода на расстоянии диффузионных

длин электронов в p-области () и дырок в n-области (). Всю область, в которой происходят процессы излучательной рекомбинации, будем называть активной областью (или активным сло-

ем).

Рис. II.16. Рекомбинация электронов и дырок в p-n-переходе, включенном в прямом направлении.

Понятно, что чем больший ток будет протекать через p-n-переход, тем больше будет происходить рекомбинаций. Если эти рекомбинации будут излучательными, то увеличится и суммарная интенсивность излучения. Таким образом, поток нашего излучения будет прямо пропорционален току.

Обычно излучающей является одна из сторон p-n-перехода (например, p-область), поэтому

желательно, чтобы доля электронов, попадающих в p-область (коэффициент инжекции ), была максимальной. Это значит, что электроны должны легко «впрыскиваться» в p-область, а для дырок переход в n-область должен быть ограничен. Т.е. необходимо создать одностороннюю инжек-

цию (). Легче всего это сделать в так называемых гетеропереходах.

Гетеропереходы получают между p- и n-областями с различной шириной запрещенной зоны. Однако выбор таких материалов ограничен. И вот почему. Для того чтобы между двумя соприкасающимися кристаллами произошел хороший контакт без дефектов, необходимо, чтобы расстояния между соседними атомами кристаллических решеток этих кристаллов совпадали. Кристаллами, в которых межатомные расстояния одинаковы, немного. Таковыми являются, например, GaAs и AlAs. Если расплавить эти два вещества, а затем смешать, то после затвердевания мы по-

43

На пути в эру нанотехнологий…

лучим твердый раствор GaAlAs. Изменяя концентрацию Al или As в таком растворе, можно менять его ширину запрещенной зоны.

Рис. II.17. Гетероперехо д в отсу тствии смещения (1) и при прямом смещении (2).

На рис. II.17 показана одна из возможных энергетических схем гетероперехода в отсутствии смещения (1) и при прямом смещении (2). Как видите, одной из его особенностей является небольшая «ступенька», несколько затрудняющая переход, в данном случае, электронов через барьер. Тем не менее, при включении его в прямом направлении происходит практически только инжекция электронов в p-область, так как для дырок потенциальный барьер оказывается все еще слишком высоким. Т.е. мы получаем одностороннюю инжекцию электронов из широкозонного материала в узкозонный, где и происходит излучательная рекомбинация (буква R на рис. II.17). Таким образом, с помощью гетероперехода мы повышаем внутренний квантовый выход светоизлучающего диода.

Другим преимуществом гетероперехода является то, что при выводе излучения через широкозонный материал, оно практически не поглощается. Т.е. мы увеличиваем также и внешний квантовый выход. Однако даже в случае СИД на гетеропереходах не удается избавиться от потерь, происходящих при отражении излучения от поверхности полупроводника. Для уменьшения таких потерь на излучающую сторону полупроводника приклеивают прозрачный пластик, имеющий сферическую форму.

Как создать усиление в полупроводнике?

Принцип действия полупроводникового лазера можно рассмотреть на следующем примере на рис. II.18. На нем показаны валентная зона полупроводника , зона проводимости и запрещенная зона . Если предположить, что полупроводник находится при температуре K, то валентная зона будет полностью заполнена электронами, а зона проводимости будет абсолютно пуста (заштрихованная область является областью заполненных состояний). Теперь представим, что электроны каким-то образом были переведены в зону проводимости. Понятно, что они будут стремиться занять «элитные» места, т.е. места с минимальной энергией. Таким образом, электроны, переведенные в зону проводимости, скопятся у дна этой зоны. У потолка валентной зоны, в свою очередь, скопятся дырки. Эту ситуацию можно рассматривать, как инверсию заселенностей, хотя фактически заселенность нижних уровней (валентной зоны) значительно больше заселенности верхних (зоны проводимости).

Рис. II.18. Принцип действия полупроводникового лазера.

Электроны из зоны проводимости будут «сваливаться» в валентную зону, т.е. рекомбинировать с дырками, испуская при этом фотон (излучательная рекомбинация). А так как у нас суще-

44

Шаховой Р.А., Юзюк Ю.И.

ствует инверсия заселенностей, то, если мы создадим обратную связь (введем подходящий резонатор), то получим лазерную генерацию.

Когда на полупроводник не действуют всякие внешние раздражители, т.е. он находится в термодинамическом равновесии, мы можем пользоваться понятием уровня Ферми. Мы об этом говорили в главе I. Если же в полупроводнике создана инверсия заселенностей (рис. II.18б), то

приходится говорить о существовании квазиуровня Ферми для электронов и квазиуровня Ферми для дырок . На рис. II.18б эти уровни изображены пунктирными линиями. Причем заметьте,

что они находятся не в запрещенной зоне, а внутри зоны проводимости ( ) и валентной зоны ( ). Если изобразить зависимость энергии электрона, находящегося внутри полупроводника, от импульса, причем сделать это для случая, изображенного на рис. II.18б, то мы получим следующую схему (рис. II.19). Уровни и здесь, соответственно, являются квазиуровнями Ферми для электронов и дырок. Как Вы понимаете, рис. II.19 соответствует случаю прямозонного полупро-

водника.

Рис. II.19. Инверсное распределение электронов в прямозонном полупроводнике .

Давайте подробнее разберем рис. II.19. здесь соответствуют потолку валентной зоны,

– дну зоны проводимости. Из рисунка видно, что минимальная энергия фотона, который может

возникнуть в ходе излучательной рекомбинации, равна ширине запрещенной зоны:				,
Соответственно, максимальная энергия фотона равна:		.
Фотон, энергия которого лежит в пределах			, не может вызвать в таком

полупроводнике переход электрона из валентной зоны в зону проводимости (ему не хватит для этого энергии). Однако такой фотон может спровоцировать переход электрона «сверху вниз», т.е. из зоны проводимости в валентную зону. Таким образом, мы организуем вынужденную излучательную рекомбинацию, которая и создает лазерное излучение. И, наконец, давайте запишем условие инверсии для полупроводниковых лазеров:

.

Это означает, что разность энергий, соответствующих квазиуровням Ферми для электронов и дырок, должна быть больше ширины запрещенной зоны. Вроде бы все хорошо, но на самом деле мы не выяснили самого главного. Каким образом можно создать инверсию заселенностей в полупроводнике?

Рис. II.20. Уширение уровней в сильно легированном дырочном полупроводнике.

45

На пути в эру нанотехнологий…

Сразу надо сказать, что обычно инверсию создают не в отдельном полупроводнике, а в области p-n-перехода, т.е. используют для этих целей полупроводниковый диод1. Накачку здесь осуществляют пропусканием постоянного тока в прямом направлении через p-n-переход. Постоянный ток осуществляет инжекцию электронов и дырок в область p-n-перехода, поэтому лазеры, работающие по этому механизму, называют инжекционными (чуть подробнее об инжекционных лазерах мы поговорим ниже). Для того чтобы квазиуровни Ферми оказались внутри соответствующих разрешенных зон (что соответствует условию создания инверсии), необходимо пропускать очень большой ток. Минимальное значение тока, при котором может возникнуть инверсия заселенностей, называется пороговым током. Этот факт, к слову сказать, является дополнительной помехой в использовании полупроводниковых лазеров. Однако и эту трудность можно обойти.

Рис. II.21. p-n-переход, составленный из сильно легированных по лупроводников. (а) – при отключенном внешнем напряжении, (б) – при прямом внешнем напряжении.

Представим себе сильно легированный дырочный полупроводник. В таком полупроводнике примесные атомы располагаются достаточно близко, они уже могут «чувствовать» друг друга, т.е. будут взаимодействовать между собой. Это приводит к тому, что в запрещенной зоне вместо одного дискретного уровня появляется целый их набор. Это явление называется уширением уровней. При очень большой концентрации примесей эти уровни сливаются с валентной зоной и даже могут заходить внутрь этой зоны. В этом случае внутри зоны может оказаться и уровень Ферми.

Теперь представим, что p- и n-области полупроводникового диода являются сильнолегированными. Энергетическая схема p-n-перехода такого диода в отсутствии смещения представлена на рис. II.21а. Штриховка показывает области, заполненные электронами. Здесь даже без инжекции электронов и дырок уровень Ферми лежит в p-области внутри валентной зоны, а в n-области внутри зоны проводимости. Теперь посмотрите, что происходит при наложении напряжения (рис. II.21б). Потенциальные барьеры уменьшаются, и инжекция электронов и дырок в p-n-переход приводит к ситуации, которая изображена на рис. II.21б. Т.е. мы получаем инверсию заселенностей, причем при значительно меньшем токе!

Полупроводниковые инжекционные лазеры (лазеры на гомопереходе)

Итак, мы разобрались, что, для того чтобы светодиод мог излучать когерентный свет, нужно создать в активном слое структуры инверсную заселенность энергетических уровней. Также мы показали, что для облегчения создания инверсной заселенности лучше использовать полупроводниковый диод с сильнолегированными p- и n-областями. Заметим, что для изготовления полупроводниковых лазеров используют полупроводники с прямыми зонами (например, GaAs или GaAlAs). Первые полупроводниковые лазеры на основе арсенида галлия были изготовлены еще в

1962 году.

1 Может быть осуществлена инверсия и отдельного полупроводникового кристалла. Для ее создания используют электронно-лучевую накачку.

46

Шаховой Р.А., Юзюк Ю.И.

Рис. II.22. Типичный полупроводниковый лазер на гомоперехо де: 1 – электрические контакты, 2 – теплопроводящая по дложка, 3 – металлический слой.

На рис. II.22 приведена типичная схема инжекционного лазера на p-n-переходе. Заштрихованная область представляет собой активный слой. Сам диод имеет очень маленькие размеры

( мм в ширину и около мм в длину). Его крепят к специальной теплопроводящей подложке 2 обычно n-областью. На верхнюю поверхность полупроводникового кристалла наносят металлический слой 3, к которому подводят электрический контакт 1. Излучение из лазера выходит через узкие полоски, образованные пересечением активного слоя с противоположными поверхностями диода (на рисунке не показано, что лазерное излучение может выходить также из противоположной стороны). Причем на эти поверхности не наносят отражающие покрытия. Вместо этого излучающие поверхности получают скалыванием полупроводникового кристалла. Сколотая поверхность оказывается достаточно гладкой и может выступать в качестве зеркала. Дейс т-

вительно, так как показатель преломления у полупроводника большой (например, в GaAs), то на поверхности раздела полупроводник-воздух получается достаточно высокий коэффи-

циент отражения (около % для GaAs).

Понятно, что фотон, «родившийся» вследствие рекомбинации электрона и дырки, может распространяться в любом направлении. Фотоны, появившиеся в активном слое, тоже будут распространяться как угодно, причем стоит им выйти за пределы активной области, как они будут интенсивно поглощаться материалом диода. Однако те фотоны, которые будут распространяться параллельно p-n-переходу, будут встречать на своем пути сколотые поверхности, от которых будут отражаться. Отразившийся фотон спровоцирует излучательную рекомбинацию (R на рис. II.23), в процессе которой родится еще один такой же точно фотон. Таким образом, излучение, распространяющееся параллельно p-n-переходу будет не поглощаться, а усиливаться. Таким образом, сколотые поверхности играют роль резонатора.

Рис. II.23. Энергетическая с хема инжекционного лазера на одинарной гетероструктуре .

Надо сказать, что коэффициент усиления полупроводниковых лазеров значительно больше, чем твердотельных и газовых. Поэтому, собственно, и можно использовать в качестве резонатора зеркала с невысоким коэффициентом отражения (сколотые поверхности).

Выше говорилось, что для создания инверсии, необходимо пропускать через p-n-переход очень мощный ток накачки. Это приводит к сильному нагреванию полупроводника. Поэтому при комнатной температуре инжекционные лазеры могут работать только в импульсном режиме (работая в непрерывном режиме при такой температуре, они бы очень быстро расплавились). В непрерывном режиме они могут работать только при охлаждении жидким азотом ( К).

47

На пути в эру нанотехнологий…

В случае арсенида галлия при охлаждении жидким азотом КПД лазеров достигает %, так что инжекционные полупроводниковые лазеры являются самыми эффективными лазерами. Однако их мощность невелика из-за малости размеров p-n-перехода (толщина активного слоя составляет примерно мкм). В непрерывном режиме при излучающей поверхности в см2 излучаемая мощность GaAs-лазера достигает Вт.

Полупроводниковые лазеры на гетероструктурах

Уже говорилось, что для создания инверсии необходимость пропускать большой ток через полупроводниковый диод. Это ограничение сдерживало некоторое время широкое использование полупроводниковых лазеров. Нужно было придумать такие лазеры, которые бы работали при значительно меньших токах и при комнатной температуре. В 1968 году под руководством Ж.И. Алферова такие лазеры были разработаны. Работали они на уже известных нам гетеропереходах.

Биографическая ремарка

Жорес Иванович Алферов

Жорес Иванович Алфѐров родился 15 марта 1930 года в белорусском городе Витебске. После 1935 года семья переехала на Урал. В городе Туринске Алферов учился в школе с пятого по восьмой классы. 9 мая 1945 года его отец, Иван Карпович Алферов, получил назначение в Минск, где Алферов окончил мужскую среднюю школу №42 с золотой медалью. Следуя совету своего школьного учителя по физике Якова Борисовича Мельцерзона , он поступил на факультет электронной техники Ленинградского электротехнического института (ЛЭТИ) им. В.И. УльяноваЛенина (нынче это Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет).

На третьем курсе Алферов пошел работать в вакуумную лабораторию профессора Б.П. Козырева. Там он начал экспериментальную работу под руководством Наталии Николаевны Созиной, которая исследовала полупроводниковые фотодетекторы. Так, в 1950 году полупроводники стали главным делом жизни молодого ученого.

После окончания в декабре 1953 года электротехнического института Жоресу Ивановичу удалось, как он и мечтал, попасть в физико-технический институт имени Абрама Федоровича Иоффе, где его новым руководителем стал Владимир Максимович Тучкевич. С первых дней Алферов был привлечен к решению важной задачи: созданию отечественных германиевых диодов и транзисторов с p-n-переходами.

ВФизтехе Алфѐров очень быстро дополнил свое инженерно-техническое образование физическим и стал высококлассным специалистом по квантовой физике полупроводниковых приборов. Главной была работа в лаборатории – Алфѐрову 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.

В1961 году Алферов защитил кандидатскую диссертацию, посвящѐнную в основном разработке и исследованию мощных германиевых и кремниевых выпрямителей. Один из выводов его диссертации гласил, что p-n-переход в гомогенном по составу полупроводнике (гомоструктуре) не может обеспечить оптимальные параметры многих приборов. Ему стало ясно, что дальнейший прогресс связан с созданием p-n-перехода на границе разных по химическому составу полупроводников (гетероструктурах). Сразу после появления первой работы, в которой была описана работа полупроводникового лазера на гомоструктуре в арсениде галлия, Алфѐров выдвинул идею

использования гетероструктур. Поданная заявка на выдачу авторского свидетельства на это изобретение по законам того времени была засекречена; к счастью, – временно.

В 1966 г. Ж.И. Алфѐров 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»).

Таким образом, реализация гетероперехода открывала возможность создания более эффективных приборов для электроники и уменьшения размеров устройств буквально до атомных масштабов. Однако заниматься гетеропереходами Алфѐрова отговаривали многие, в том числе и В.М. Тучкевич. В то время существовал всеобщий скептицизм по поводу создания «идеального» гете-

48

Шаховой Р.А., Юзюк Ю.И.

роперехода, тем более с теоретически предсказываемыми инжекционными свойствами. Дело в том, что многочисленные попытки реализовать гетеропереход были безуспешными: ведь не только размеры элементарных ячеек кристаллических решѐток 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, безнадѐжное дело взялся Жорес Алфѐров. Нужный гетеропереход, как оказалось, можно было формировать путѐм эпитаксиального выращивания, когда один монокристалл (вернее, его монокристаллическая плѐнка) наращивался на поверхности другого монокристалла послойно – один монокристаллический слой за другим (см. главу V пункт «Молекулярно-лучевая эпитаксия). К нашему времени разработано много методов такого выращивания. Это и есть те самые высокие технологии, которые обеспеч и- вают не только процветание электронных фирм, но и безбедное существование целых стран.

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. Первоначально была предпринята попытка создать двойную гетероструктуру

GaP0,15As0,85–GaAs. И она была выращена методом газофазной эпитаксии, а на ней был сформирован лазер. Однако из-за небольшого несоответствия постоянных решѐтки он, как и лазеры на го-

мопереходах, мог работать только при температуре жидкого азота. Алфѐрову стало ясно, что таким путѐм реализовать потенциальные преимущества двойных гетероструктур не удастся.

Непосредственно с Жоресом Ивановичем работал Дмитрий Третьяков – один из учеников Нины Александровны Горюновы, замечательного специалиста по химии полупроводников. Он сообщил Жоресу Ивановичу, что неустойчивый сам по себе арсенид алюминия абсолютно устойчив в твѐрдом растворе AlGaAs. Свидетельством этому были давно выращенные путѐм охлажд е- ния из расплава Александром Борщевским, тоже учеником Н.А. Горюновой, кристаллы этого твѐрдого 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.

Развитие теоретических подходов, а также создание модифицированного метода жидкофазной эпитаксии, пригодного для выращивания гетероструктур, вскоре привели к созданию гет е- роструктуры, согласованной по параметру кристаллической решѐтки. Ж.И. Алфѐров вспоминал: «Когда мы опубликовали первую работу на эту тему, мы были счастливы считать себя первыми, кто обнаружил уникальную, фактически идеальную, решѐточно-согласованную систему для GaAs». Однако почти одновременно (с отставанием на месяц) и независимо гетероструктура AlxGa1–xAs–GaAs была получена в США сотрудниками фирмы IBM.

Работы Ж.И. Алфѐрова были по заслугам оценены международной и отечественной наукой. В 1971 году Франклиновский институт (США) присуждает ему престижную медаль Баллантайна, называемую «малой Нобелевской премией» и учрежденную для награждения за лучшие работы в области физики. Затем следует самая высокая награда СССР – Ленинская премия (1972 год).

С использованием разработанной Ж.И. Алфѐровым в 70-х годах технологии высокоэффективных, радиационностойких солнечных элементов на основе AIGaAs–GaAs гетероструктур в России (впервые в мире) было организовано крупномасштабное производство гетероструктурных солнечных элементов для космических батарей. Одна из них, установленная в 1986 году на косм и- ческой станции «Мир», проработала на орбите весь срок эксплуатации без существенного снижения мощности.

На основе предложенных в 1970 году Ж.И. Алфѐровым и его сотрудниками идеальных переходов в многокомпонентных соединениях InGaAsP созданы полупроводниковые лазеры, раб о- тающие в существенно более широкой спектральной области, чем лазеры в системе AIGaAs. Они нашли широкое применение в качестве источников излучения в волоконно-оптических линиях связи повышенной дальности.

Вначале 1990-х годов одним из основных направлений работ, проводимых под руководством Ж.И. Алфѐрова, становится получение и исследование свойств наноструктур пониженной размерности: квантовых проволок и квантовых точек.

В1993–1994-х годах впервые в мире реализуются гетеролазеры на основе структур с квантовыми точками – «искусственными атомами». В 1995 году Алфѐров со своими сотрудниками

впервые демонстрирует инжекционный гетеролазер на квантовых точках, работающий в непрерывном режиме при комнатной температуре. Принципиально важным стало расширение спек-

49

На пути в эру нанотехнологий…

трального диапазона лазеров с использованием квантовых точек на подложках GaAs. Таким образом, исследования Алфѐрова заложили основы принципиально новой электроники на основе гетероструктур с очень широким диапазоном применения, известной сегодня как «зонная инженерия».

10 декабря 2000 года Жорес Иванович Алферов стал лауреатом Нобелевской премии в области физики, разделив ее с американскими учеными Гербертом Кремером и Джеком Килби. Жорес Иванович и Герберт Кремер удостоены премией за открытие и развитие быстрых опто- и микроэлектронные компонент, которые создаются на базе многослойных полупроводниковых гетероструктур. Джек Килби награжден за свой вклад в открытие и развитие интегральных микросхем, благодаря чему стала быстро развиваться микроэлектроника, являющаяся – наряду с оптоэлектроникой – основой всей современной техники.

С 1979 года Жорес Иванович – академик РАН (Отделение общей физики и астрономии), с 1990 – вице-президент РАН. Ж.И. Алферов является председателем президиума Научнообразовательного комплекса «Санкт-Петербургский физико-технический научно-образовательный центр» РАН. Кроме того, он – главный редактор журнала «Письма в Журнал технической физики».

Жорес Алферов учредил Фонд поддержки образования и науки для помощи талантливой учащейся молодежи, содействия ее профессиональному росту, поощрения творческой активности в проведении научных исследований в приоритетных областях науки. Первый вклад в Фонд был сделан Жоресом Алферовым из средств Нобелевской премии.

За работу "Фундаментальные исследования процессов формирования и свойств гетероструктур с квантовыми точками и создание лазеров на их основе" Жорес Алферов и команда уч е- ных, работающих вместе с ним, были удостоены в 2002 году Государственной премии.

Завершая рассказ о нашем нобелевском лауреате, хочется привести отрывок из его книги «Физика и жизнь». Он пишет: «Все, что создано человечеством, создано 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 Президента, а благодаря труду ее народа, вере в знание, в науку, благодаря сохранению и развитию научного потенциала и образования.

...Десятилетним мальчиком я прочитал замечательную книгу Вениамина Каверина «Два капитана». И всю последующую жизнь я следовал принципу ее главного героя Сани Григорьева: «Бороться и искать, найти и не сдаваться». Правда, очень важно при этом понимать, за что ты берешься».

На рис. II.23 приведена энергетическая схема лазера с одинарным гетеропереходом в присутствии внешнего поля. Активной областью в данном случае является слой GaAs p-типа, который помещен между двумя сильнолегированными полупроводниками n+- и p+-типа1 с разной шириной запрещенной зоны (). Давайте проследим, как работает такая структура.

1 Еще раз напомним, что вер хний индекс + при букве p или n означает, что полупроводник сильно легирован соответственно акцепторной или донорной примесью.

50