Academia Жорес Алферов. "Полупроводниковая революция. Наука и общество". 1-я лекция

Запись лекции, прочитанной в рамках проекта "ACADEMIA", программа была в эфире 12 апреля 2010 года.

В 2000 году Жорес Иванович Алферов получил Нобелевскую премию за разработку полупроводниковых гетероструктур и создание быстрых опто- и микроэлектронных компонентов. Благодаря этому стало возможным создание волоконно-оптической связи (она является, в частности, основой современного Интернета), лазеров, работающих при комнатной температуре (широко используются в медицине и других областях), полупроводниковых лазеров, которые применяются как в космических технологиях, так и в быту, например, в проигрывателях аудио- и видеодисков. Кроме того, без этих открытий была бы невозможна качественная мобильная связь. В своей лекции Жорес Иванович рассказывает об основополагающих открытиях в физике, их прикладном значении и перспективах.

Стенограмма 1-ой лекции Жореса Ивановича Алферова, вышедшей в эфир на телеканале "Культура" в рамках проекта "ACADEMIA":

Вообще-то говоря, первый опыт на телевидении читать вот такую большую лекцию. И, когда я выбирал тему лекции, я ее выбирал таким довольно сложным образом, что это должно быть одновременно история неких научных очень важных открытий, но тот предмет, о котором я буду рассказывать, – это не только следствие в науки, даже не только следствие в технологии, и не зря я ее вот так назвал «Полупроводниковая революция в 20-м веке», это, действительно, революция. И, как всякая революция, она имела очень… это научно-техническая революция, конечно, прежде всего, научная революция. Но она привела к очень многим изменениям не только в науке, не только в технологии, она привела к огромным изменениям в социальной сфере в мире. И не зря, как говорится, полупроводниковая революция явилась основной того, что мы называем современными информационными технологиями, того, что мы называем сегодня постиндустриальным обществом.
И поэтому тема моей лекции в общем довольно сложная, на самом деле, это одновременно и физика, и технология, и масса других вещей.
Я вот, поскольку вы студенты, то я, естественно, вот все вспоминают свои студенческие годы. И в студенческие годы, естественно, вспоминают, в том числе и лекции известных ученых. И вот я помню в моей жизни, значит, получилось таким образом, что такую первую свою научную награду я получил на четвертом курсе института за доклад, который сделал на студенческой научной конференции. Это было в 1961 году, значит, сколько? 59 лет тому назад. И на этой студенческой научной конференции, на пленарном заседании, на открытии конференции мы, естественно, попросили выдающихся наших ученых выступить перед нами с докладами.
Я учился в Ленинградском электротехническом институте имени Владимира Ильича Ульянова-Ленина. Вот, хороший очень институт. Учиться туда мне посоветовал мой школьный учитель физики. Я школу заканчивал в Минске, в Белоруссии. И потрясающе, у нас не было тогда еще ни физкабинетов. Город лежал в руинах, была всего одна мужская школа и три женских. У нас был большой выбор, тогда обучение в школах было раздельным. И учитель физики у нас Яков Борисович Мельцерзон, это человек, я думаю, что на самом деле, чрезвычайно важно, когда учителя, профессора, воспитатели, прежде всего, демонстрируют, как они любят свою профессию. И учитель физики Яков Борисович Мельцерзон, он любил по-настоящему физику. У нас не было физкабинета, поэтому не было никаких, так сказать, демонстраций лабораторных. Он нам читал физику. Это были сдвоенные уроки физики. Проверял он наши знания таким способом, что конце четверти проводил контрольную. Класс у нас был там человека 22-24, он приносил 12 вариантов. Так их располагал, что списать было невозможно. И на основе этой контрольной он выводил четвертные оценки. И я помню, как в третьей четверти в 9-ом классе, это, значит, в 45-ом году, в начале 46-го, вот на такую контрольную он мне поставил три с плюсом. И я очень огорчился. В три с плюсом было поставлено за то, что я, решая задачку, там были вопросы обычные, так сказать, по физике, просто и задача, решая задачку, я ответ написал: три 3549324. А он, значит… ну, я тогда не знал, что гораздо проще, он написал: следует писать 3549 на десять в шестой. И поставил три с плюсом. Я был необычайно огорчен, потому что, ну, физика мне нравилась. Я пришел домой расстроенный. Мама стала выяснять, почему, что и как? Я ей объяснил. Мама, значит, тогда проводились родительские собрания, и сейчас, я думаю, это делается, мама пришла и вот пожаловалась ему, что сын очень расстроен. И на следующем уроке, я повторяю, читал лекции, не спрашивал нас, на следующем уроке он прочитал первую лекцию, первый час. А потом сказал: «Тут некоторые жалуются на меня. Алферов, идите к доске». И спрашивал меня все 45 минут. Спрашивал за весь 9-й класс, это была уже четвертая четверть. Потом закончил и сказал: «Ну ладно, продолжим на следующем занятии».
Я перед следующим, естественно, там учебник смотрел то, се… И он пришел и сразу позвал меня к доске. И залез из 9-го в 8-ой класс, чего я не ожидал. И вот где-то за 8-ой класс я поплыл. Он сказал, ну, ладно, физику вы знаете, поставил мне четыре с плюсом. И потом за любое мое замечание, просто спрашивал что-нибудь, и ставил просто… у вас есть вопросы? Я задавал вопрос, например, и он за заданный вопрос ставил мне уже одни пятерки. Вот, значит, вот таким вот способом я у него приобрел очень большой авторитет на самом деле.
И он мне советовал вот, мальчик я был очень эмоциональный, и наибольшее впечатление на меня произвело его рассказ, как работает катодный осциллограф, и как работают радарные радиолокационные системы. Это произвело на меня такое впечатление, что я захотел заниматься электроникой. И он порекомендовал ехать учиться в Ленинград в Электротехнический институт, считая, что это лучший институт и лучший факультет по электронике. И вот нам на четвертом курсе я делал доклад свой первый такой серьезный научный уже с работой экспериментальной по исследованию. Очень важно было тогда, значит, найти варианты получения покрытий для приема среднего и довольно далекого инфракрасного излучения. И у меня была разработана некая методика получения их. Вот за этот доклад я получил премию. Но, премия была очень специфическая – это была путевка на великие стройки коммунизма. Вот. Это отдельный разговор , да.
А вот на наше пленарное заседание мы попросили двух очень известных в то время ученых, работавших у нас в институте, это Валентин Петрович Вологдин, может быть, вы слышали это имя. Это был замечательный инженер-электротехник, специалист по высокочастотным методам нагрева материалов. И вот высокочастотные методы обработки металлов, материалов, сварка высокочастотная это все было у Вологдина, его методы получили широкое распространение. И он был Лауреат Сталинской премии, Член-корреспондент Академии Наук, и мы его попросили, значит, чтобы он выступил перед нами.
А потом мы еще попросили, у нас в институте работал, заведовал кафедрой ультразвука, Сергей Яковлевич Соколов. Это тоже был… он был просто профессор, членкором он стал позже, в 53-ем годы, по физике. И он был, значит, лауреатом двух Сталинских премий. В то время это было не так часто. Одна Сталинская премия ему была присуждена за разработку методов ультразвуковой дефектоскопии материалов, а вторая – за разработку методов ультразвуковой микроскопии.
Вообще, сейчас все вы часто, наверное, то есть, вы редко еще, но многие из вас ходят в поликлинику, верно, проходят медосмотр, и такой способ, как УЗИ вам широко известен. А вот, наверное, не многие знают, что вся ультразвуковая и медицина, и ультразвуковые методы исследования различных материалов, ультразвуковая дефектоскопия, методы ультразвуковой микроскопии, когда мы видим внутри непрозрачных материал этих структур, это все детища Сергея Яковлевича Соколова.
Его первые… Он 1895 года рождения, значит, в 51-ом году ему было, значит, 56 лет, в 53-м он стал членом-корреспондентом Академии Наук, он был ближайшим другом Якова Ильича Френкеля, крупнейшего физика-теоретика. Это имя для вас, я думаю, должно быть знакомо. И, когда Френкеля громили за так называемое, значит, это самое, ну, что он не считал некоторые философские методы основными в физических исследованиях, то открыто приходил к нам в политех уже, и защищал Якова Ильича Сергей Яковлевич Соколов.
А вот нам он, рассказывая, он принес на лекцию свой ультразвуковой микроскоп, он показывал, тогда волшебный фонарь был, а вот слайд-проекторов таких не было, он показывал нам на экране картинки. И я бы сказал, Вологдин прочитал такое яркое, красивое… лекция популярная, с хорошими примерами, обосновывая методы холодной обработки материалов – высокочастотная электротермия в принципе – тоже холодный метод, не прямой нагрев, а через ВЧ, он говорил, вот я всегда ем холодную гречневую кашу, и вот холодные методы у меня, значит, очень хороши, видите, я до сих пор помню эту лекцию.
А Сергей Яковлевич просто нам рассказывал об этом, и я бы сказал, он превратил нас… он рассказывал как своим коллегам, как своим людям, которые, ну, вот должно быть им это обязательно интересно. И вот этот простой метод рассказа, непопулярной такой лекции перед молодежью он пленил нас. И я вот эту лекцию помню со всеми деталями. И хочу еще раз сказать, что Сергею Яковлевичу принадлежат большинство патентов, в конце 20-х годов у него уже были патенты в США, и ультразвуковая… применение ультразвука в медицине, в материаловедении, в микроэлектронике – мы должны благодарить за это. Конечно, это развеялось и те патенты и его, и те патенты, которые сегодня взяты через многие десятилетия после него – разные вещи, но основы физические, технологические, инженерные, применение ультразвука в самых разных областях были заложены советским физиком Сергеям Яковлевичем Соколовым, который рассказывал вот так вот лекцию, и я стараюсь брать с него пример, хотя он, конечно, для нас, ну для меня он недосягаемый по классу.
Ну, а вам я собираюсь рассказывать о полупроводниковой революции. И то, о чем я уже вам сказал, к сожалению, сапожник без сапог, я, хотя, значит, в общем, лазерная указка – это наше детище, и даже мое детище, я без нее пришел, поэтому не могу здесь пользоваться ею. А вот на этой картинке – это наш Академический университет, первое и пока единственное высшее учебное заведение в системе Академии Наук, которое является одновременно и академическим университетом, и Центром исследований и образования в области нанотехнологий. Оно уникально еще и потому, что оно объединяет лицей, физико-техническую школу, тоже единственную школу в системе Академии, которую мы создали много лет тому назад. Очень хорошие ребята там у нас растут. Подготовку бакалавров через физико-технический факультет Политехнического института, где я на общественных началах уже 20 с лишним лет декан, и вот университет, который имеет только магистратуру и аспирантуру. Поскольку в аспирантуре нужно вообще совмещать исследования с образованием. А с образованием в аспирантуре, с моей точки зрения, у нас не все в лучшем виде. Поэтому вот и возник этот университет.
А вот эти два красивых дома, которые изображены, они вам видны, видны, да, вот один дом – это Виктор Степанович Черномырдин сыграл очень большую положительную роль. Потому что проект этого дома у нас был сделан. Он должен был объединять факультет, лицей, лаборатории еще в 1989 году. А в 1992, я, уже, будучи вице-президентом нашей Академии Наук, заложил финансирование строительства в бюджет Академии Наук. Но в 1992 бюджет на науку катастрофически упал. Финансирование, скажем, моего родного института, Физико-технического института имени Иоффе, в котором я проработал в общей сложности 55 лет, и в то время был его директором, упала в 20 раз. И деньги, которые были заложены на строительство этого, превратились в труху.
В 1991 году, 21 августа, это, когда путч так называемый был, решением мэрии Петербурга нам была выделена площадка для строительства. А дальше я писал Борису Николаевичу Ельцину, еще и денег не было. Помог Виктор Степанович Черномырдин, которому захотелось иметь меня в своей… в своем движении, ну, и вот так получилось, что он выделил 8 миллионов долларов на строительство этого корпуса. Убедил я его одной фразой, на самом деле, я ему сказал, что для школьников академик – не авторитет. Авторитет школьника – старшеклассник. Я это знаю по собственному опыту. Вот. А старшеклассник, когда, если он ушел в другой институт и будет рассказывать, и встречаться со своими коллегами, что там по-настоящему интересно и хорошо, то школьники и пойдут и дальше.
Поэтому я считал, что очень важно, чтобы студенты оставались у нас под той же крышей, где и наш лицей. И лаборатории были бы под той же крышей. И вот тогда я его убедил словами, что академик – не авторитет, а авторитет – старшеклассник, и для этого нужно сделать общую крышу, но крышу в буквальном смысле. Еще говорят общая крыша наши там – эти самые олигархи и прочие – это совсем в другом. Нормальную общую крышу для того, чтобы они были вместе.
И вот тогда, в 1995 году эти деньги были выделены. В 1999 вошел в строй этот корпус. А в 2000 году вот то, что дальше, вот эти два здания рядом, вот там, такие справа, это уже прямое следствие моей Нобелевской премии.
Когда присудили Нобелевскую премию, Владимир Владимирович Путин, которого я знал очень много лет, пригласил меня в Кремль поздравить. Правда, это было таким образом сделано, то, значит, вот присудили Нобелевскую премию, прекрасно, верно. А на следующее утро я должен быть в Госдуме. И я утром рано еду на машине в аэропорт. В машине раздается, всего недавно, в 2000 году, раздается, значит, телефонный звонок. Я беру трубку. И мне девушка говорит, на телефоне – спецсвязь президента России, с вами будет говорить сейчас Президент Владимир Владимирович Путин. Замечательно. Я беру трубку, а дальше получается так. Я точно сейчас не помню, но в принципе так. Я его слышу, а он меня – нет. Девушка мне говорит, что у вас плохо работает телефон. Вы сейчас приедете в аэропорт, и по тому телефону уже в аэропорту в депутатской комнате с вами поговорит Владимир Владимирович.
Я приехал в аэропорт. Мне снова позвали к телефону. И все наоборот. Скажем, в машине я его слышал, а он меня нет. А по этому телефону он меня… я его слышу, а он меня нет. Ну, наоборот. Ну, я говорю, телефон-то в машине у меня в порядке. Мне девушка сказала, знаете, он у нас в Бишкеке, и там, наверное, плохо связь работает. Так что он свяжется с вами завтра. На следующий день он связался со мной. Пригласил в Кремль. Я пришел в Кремль и написал бумагу от руки, чтобы построить нам еще один дом лабораторный корпус, еще массу вещей. И в этот день он не мог мне отказать. В этот день, так что вот этот второй корпус, где у нас сегодня чистые комнаты, хорошие лаборатории, аудитории университетские, и гостиница для приезжающих ученых, и сегодня, значит, вот этот вот второй корпус – он следствие, прямое следствие Нобелевской премии.
Мне сейчас очень важно построить третий корпус. Поэтому я очень хотел бы, чтобы кто-нибудь из моих учеников получил в ближайшем Нобелевскую премию. И тогда можно было бы реализовать это дело дальше.
Ну, а сейчас все-таки перейдем к революции. Полупроводниковая революция есть полупроводниковая революция. Ну, вот это примерный конспект моей лекции. Прежде всего, это исследования физические – они основа. Ну, и затем, вы видите, открытие транзистора, открытие лазера, развитие и изобретение кремниевых чипов, гетероструктуры, которые получили такое красивое название «Мэн мейд кристалс», кристаллы, сделанные человеком.
Ну, проблемы и будущее… ну, как всякая революция, вообще, ее готовят. Готовят революционеры, верно? Можно говорить там про Октябрьскую революцию, про Февральскую, про революцию в Китае, вот, ну, и полупроводниковая революция. Ее тоже готовили. И готовили много разных групп, может быть, даже не думая, к каким следствиям это приведет. Я здесь просто на этой фотографии показываю одну группу, которая, с моей точки зрения, сыграла, я думаю, совершенно потрясающую роль в советской физике, в судьбе страны в целом. И это, прежде всего, Абрам Федорович Иоффе, основатель советской физической школы, создатель первого исследовательского института по физике, Физико-технического института, созданного в 1918 году. А институт возник на базе семинара по новой физике, который Иоффе организовал в Политехническом институте, вот во время Первой мировой войны.
Если вы посмотрите на эту фотографию более внимательно, слева первый это Петр Леонидович Капица, студент Абрама Федоровича. Помогал ему в создании спустя несколько лет физико-механического факультета. Рядом Яков Ильич Френкель, крупнейший физик-теоретик, работы которого и в полупроводниках, и в физике твердого тела, и в ядерной физике и во многих других областях сыграли огромную роль. Я думаю, что из наших физиков-теоретиков это был человек, в котором идейная, так сказать, плодовитость и идейное богатство было, наверное, больше, чем у кого-либо другого, включая Ландау, включая Игоря Евгеньевича Тамма. Просто по идейному богатству Яков Ильич – это совершенно уникальная личность. А рядом с ним Николай Николаевич Семенов, тоже Нобелевский лауреат. Капица и Семенов были друзья-приятели еще в дореволюционные времена.
Дальше через человека сидит Петр Иванович Лукирский, человек, которому мы обязаны очень многим в развитии рентгеновских исследований, фотоэффекта исследования, в 1937 году его посадили, в 1943 году выпустили. Говорят, не уверен в этом, он умер в 1954 году. Я с ним общался очень мало, но успел. Говорят, что он работал в тюремной аптеке и известную роль в его освобождении сыграл Константин Константинович Рокоссовский, поскольку они были на одной площадке, и он его уже знал. А Рокоссовского освободили раньше.
А вот это вот отдел теоретической физики Якова Ильича. Это вот люди, работы которых сыграли, я бы сказал, огромную роль в физике в целом, и в физике полупроводников тоже. Слева это Лев Давидович Ландау. Вот. В центре Яков Ильич Френкель, а по левую руку от него, или, если смотреть отсюда справа, то это Георгий Гамов, это имя, наверное, тоже вам хорошо знакомо. Самый крайний справа это Дмитрий Иваненко, такая модель ядра, которая в школьных учебниках. А рядом с ним, вот никогда, я даже сам этого не знал, это Виктор Амазаспович Амбарцумян, который тоже выпускник астрофизик, много лет бывший президентом Армянской Академии наук, и выпускник тоже школы Якова Ильича Френкеля.
Абрам Федорович Иоффе был человеком, который первым начал систематические исследования полупроводников. Я бы так сказал, что Абрам Федорович, с одной стороны, одним из первых в нашей стране и в дореволюционной России понял значение квантовой физики. Он ученик Рентгена и докторскую диссертацию защищал у Рентгена, а Рентген в лаборатории запрещал употреблять слово «электрон». И говорил, что это там ошибка, еще никто не доказал, что он существует. Рентген хотел оставить его в Мюнхене. Абрам Федорович уехал в Россию.
В это время существовала так называемая «трехпроцентная норма» для лиц иудейского вероисповедания, и его карьера как научного работника была перегорожена, поэтому его не взяли в Императорский университет, поэтому он оказался в Политехническом институте в должности старшего лаборанта. И заведующий кафедрой физики Скобельцын, отец Дмитрия Владимировича Скобельцына, который позже стал директоров ФИАНА, Скобельцын ему и разрешил быть профессором у него на кафедре, и профессорская карьера началась и развивалась у Абрама Федоровича в Политехническом институте.
И он очень рано понял значение в том числе и ядерной физики. В 1931 году Абрам Федорович инициировал бригаду ядерной физики в Физтехе, которую возглавил сам, а заместителем у него стал Игорь Васильевич Курчатов.
В 1936 году на специальной сессии Академии Наук из Абрама Федоровича делали отбивную котлету за то, что он большую часть института сориентировал на не имеющее никакого практического применения направление исследований – ядерную физику. Но школа Курчатова, возникшая у нас в физтехе, спасла страну в послевоенные годы. Именно благодаря тому, что был Игорь Васильевич Курчатов, Флеров, Петржак, Арцимович, Яков Ильич Френкель оказало… и многие другие, оказалось возможным создать атомное оружие за очень короткий срок.
Абрам Федорович понимал значение полупроводников, очень рано понял. И систематические исследования полупроводников у нас в стране в Физико-техническом институте были начаты в конце 20-х годов. Когда, так сказать, были созданы основы для этого дела. Я об этом дальше немножко скажу.
Затем в довоенные годы думали уже о том, как бы хорошо было создать твердотельный усилитель, но не сумели. Хотя, между прочим, и это очень важно понимать, такое имя как Олег Васильевич Лосев вас тоже что-нибудь говорит. А? Олег Васильевич Лосев, совершено уникальный гениальный инженер-изобретатель. И в 1920 годы он создал, считайте, первый светодиод на карбиде кремния. Он создал первый кристаллический усилитель кристадин на основе карбида кремния, но он шел далеко впереди технологической базы. Ведь технологическая база отставала, чтобы эти гениальные изобретения могли начать внедряться в жизнь. Поэтому, можно сказать, что это остались вехи в истории науки и технологии. И я помню, как Эгон Лебнер такой, значит, венгр, позже работник одной из крупных американских компаний занимался историей создания первых светодиодов и приехал к нам, чтобы получить информацию из первых рук о Олеге Васильевиче Лосеве.
Но революция по-настоящему, понимаете, революция – процесс, на самом деле, конечно, но так же, как и в социальной сфере, происходит в науке и технике, некие события, которые определяют потом развитие надолго. И, безусловно, таким вот одномоментным событием полупроводниковой революции 20-го века было открытие транзисторов. И здесь вот на картинке его лабораторная модель первого биполярного точечного транзистора, значит, база, кристалл германия и два усика на очень близком расстоянии друг от друга, точечные контакты. Для того, чтобы выдержать это минимальное расстояние, между усиками прокладывалась очень тонкая слюдяная пластинка, как это изображено вот на левой части этой фотографии.
Это событие произошло на фирме «Беллтелефон». Авторами открытия первого транзистора, создателями были два физика, физик-теоретик и физик-экспериментатор. Это Джон Бардин – это уникальная совершенно личность в истории современной физике, потому что это единственный физик за всю историю физики, который стал дважды лауреатом Нобелевской премии по физике. Он получил первую премию вот за открытие транзистора, и вторую… первую в 1956 году и вторую в 1972 за теорию сверхпроводимости, теорию БКШ – Бардин – Купер – Шриффер.
Мне посчастливилось в жизни в 1970 году, я полгода работа в Соединенных Штатах Америки в Иллинойском университете и Джон обычно меня приглашал на ланч перед семинаром, иногда на обед после семинара, когда приезжали известные ученые из других городов. И мы с ним, по крайней мере, раз в неделю обсуждали многие проблемы современной в то время… И хотя он уже давно не занимался полупроводниками и был сосредоточен в теории сверхпроводимости, на моем докладе по гетероструктурам на семинаре Бардина самые умные, дельные вопросы задавал именно он.
Вот Джон Бардин и Уолтер Браттейн – они первооткрыватели и создатели транзисторов. При этом я бы сказал, что история создания транзистора она очень поучительна. Значит, в годы войны, до войны полупроводники уже широко применялись, селеновые фотоэлементы, селеновые выпрямители, медно-закисные выпрямители в качестве выпрямляющих элементов. Во время войны, во время войны радиолокация развивалась очень бурно. Потребовалось разрабатывать системы детектирования СВЧ-колебаний. А электроника была вакуумной, вся электроника того времени была вакуумная. Луи Дефорест в 1905 году изобрел триод и вот на основе этого все усилительные системы развивались.
Но вакуумные диоды не годились для детектирования СВЧ, сверхвысокочастотных колебаний для радиолокации, и поэтому снова стали пользоваться детекторами кристаллическими. Я помню, когда я в 1942 году сделал первый в своей жизни радиоприемник с кристаллическим детектором. Приемники тогда все, у кого были на руках, забирали, ну, а самому можно было сделать и слушать, как говориться, радио, с кристаллическим детектором.
И вот для развития радиолокации СВЧ кристаллический детектор оказался значительно более выгодным. И в связи с этим развилась технология элементарных полупроводников германия и кремния. И научились получать монокристаллы германия, и технология сама этих двух полупроводников развилась, так сказать, очень быстро.
Был на фирме «Беллтелефон» исполнительный вице-президент фирмы Мелвин Келли, который, значит, вот собрал группу с задачей сделать твердотельный усилитель. Браттейн работал на «Белл», Бардина пригласили. Шокли уже работал на «Белл», такой Джеральд Пирсон приглашен был, еще инженер-физхимик Гибни. Но вот что интересно, что исполнительный вице-президент компании «Белл» сказал, собрав эту группу, что задача, конечно, сделать твердотельный усилитель, переключатель твердотельный, в котором телефонная компания крайне заинтересована – вместо механических реле появятся, значит, вот переключатель электронный и усилитель электронный сигналов. Он говорит, не менее важно для меня, это, чтобы вы, развивая эти работы, провели исследования, которые были бы доказательством справедливости квантовой теории для физики твердого тела.
Вот, понимаете, я думаю, во всем нашем бизнесе, который в России идет, вот, когда у нас появятся какие-нибудь там вице-президенты наших компаний, которые, запрашивая работы на выполнение тех или иных технологических исследования, они и этого не делают сейчас, дойдут до такого уровня, что смогут говорить, «а было бы очень хорошо, чтобы вы при проведении этих исследований обязательно учли во внимание дробный квантовый холл-эффект и попробовали развить экспериментально и теоретически возможно его применения, возникновение не только при очень сильных магнитных полях, и очень глубоком охлаждении». Ну ни хрена не появится у нас такой вице-президент в ближайшие годы, по крайней мере. Вот. А Мелвин Келли был таким.
Дальше это уже вот так получилось, что Бардин понимал, что идея полевого транзистора, выдвинутая Шокли, не может быть реализована и для этого нужно разобраться в явлениях на поверхности полупроводника. И при исследовании поверхностных явлений было открыто усиление тока, и появился вот этот точный биполярный транзистор.
А затем очень быстро Шокли предложил, разработал и сделал первые плоскостные транзисторы. Когда, я думаю, поскольку вы физики, npn-области, они уже созданы в монокристалле германия сначала, позже и кремния. Вот эта работа была отмечена в 1956 году Нобелевской премией. Бардин и Браттейн – за открытие транзисторного эффекта как такового, и Шокли – за создание первых плоскостных транзисторов.
Вот в нобелевской лекции Джона Бардина, ну, я вообще должен вам сказать, что в библиотеке или на CD это сейчас есть, это вообще потрясающий источник образования – «Нобелевские лекции». При этом у нас недавно они были все переведены на русский язык. Первые, значит, первые сто лет, по крайней мере. С 1901 по 2001-й годы. И это, понимаете, это очень интересно на самом деле читать, потому что, как правило, в ней подводятся определенные итоги большого периода исследований. И вот Джон Бардин в своей лекции подчеркнул, на чем, собственно говоря, базировались исследования, которые привели к открытию транзистора? Это квантовая теория Вильсона, зонная теория. Она появилась в 1929 году. Вильсон, кстати, умер-то относительно недавно. Я помню, что я получил право выдвигать на Нобелевские премии давно, еще, не будучи лауреатом, где-то в районе 1976 года, и многократно его выдвигал, потом что, ну, так и не отмечено было, а для нас, для полупроводниковцев, работа Вильсона – это такая могучая классика, как говорится, без нее, ну, там можно говорить, что был ряд предыдущих, основой... Но мне хочется сказать следующую вещь. Вот что важно очень.
Джон Бардин подчеркнул, что не было бы никаких транзисторов, если бы не было квантовой теории Вильсона, если бы не было теории Френкеля по целому классу, прежде всего, фотоэлектрических явлений, если бы не было развития теории выпрямления в контактах металл-полупроводник, прежде всего, и в металлах. Мот, Шотки и Давыдов, Борис Иосифович Давыдов, он, кстати, написал первую теорию pn-структур, на самом деле, раньше Шокли – 1938, а там 1949, значит, на 11 лет.
Браттейн отметил другую вещь. Браттейн – человек, который изучал всю свою жизнь физику поверхностей. И он отметил, что в результате исследования, открытия транзисторов, появления pn-структур появилась новая поверхность в полупроводнике, в монокристалле полупроводника появилась граница – электронной и дырочной проводимости.
Ну, а Шокли, Шокли, он… я не привожу здесь цитату, она мне очень понравилась в его нобелевской лекции, цитата, где он говорит о том, что очень много говорят о фундаментальных, прикладных исследованиях, так вот, неважно, что является мотивацией, то ли необходимость изучения очень высоких, так сказать, явлений или просто изучение характеристик мощного транзистора, фундаментальным является тот результат, который обогатил наше понимание явлений в природе и наше знание об окружающей нас природе и неважно, какая была для этого мотивация.
Сам Шокли, я его видел первый раз в 1960 году, была конференция, то есть, была, и сейчас они проходят международные конференции по физике полупроводников, и первая, на которой оказался ваш покорный слуга, была в 1960 году в городе Прага. У нас была большая советская делегация, 70 человек. Было очень много молодежи.
Абрам Федорович Иоффе прочитал прекрасную лекцию очень короткую на открытии, где он за полчаса рассказал всю историю исследований физики полупроводников. А потом повторил ее по-английски. А Шокли на открытии прочитал лекцию о явлениях лавинного пробоя в кремниевых pn-структурах. Тоже прекрасная лекция была. Мы так все смотрели, у него, значит, такая здесь лента, и черт знает, что там на этой ленте? Мы все решили, что, наверное, значит, Нобелевская медаль висит там. Ну, позже я узнал уже так сказать практически, что Нобелевская медаль не вешается, а на стол кладется, она настольная. Вот мы ждали вот, наверное, медаль?..
А основная идеология лекции Шокли заключалась в том, что pn-переход – это сложная неоднородная структура. И лавинный пробой происходит в слабом месте из-за неоднородности. И поэтому, заканчивая лекцию, он вышел к нам, задрал пиджак, и оказалось, на этой ленте у него висела большая тряпка, составленная из кусочков разноцветных материй, вот. И он сказал: вот, что такое pn-переход, похлопав себя по известному месту, ну по тряпке из многоцветных кусков для того, чтобы продемонстрировать, значит, неоднородность полупроводника.
Нужно сказать, что для нас Шокли в то время был просто живым классиком, его книга «Электрон», по-английски она «Дырки электронов в полупроводниках», а при переводе к нам она называлась «Электронные полупроводники», была такой классикой, и она была нашей настольной книгой. И мы Шокли считали это номер один в мировой физики полупроводников. Поэтому, когда я уезжал на эту конференцию, мои коллеги тоже молодые научные сотрудники просили меня обязательно, чтобы я спросил у Шокли знает ли он работы Царенкова, ну, друг мой Боря Царенков, Витя Стафеев просил, чтобы я узнал, знает ли он работы Стафеева? И на банкете вот вскоре, я не помню, до того, как Иоффе к нему подошел… наверное, после того, как к нему подошел Иоффе, подошли к нему мы. Он так же стоял, в руках у него здесь стопка с виски. И мы завели с ним разговор. И в процессе этого разговора, где-то в конце я стал его спрашивать, а знает ли он работы Царенкова? Он сказал, нет. А знает ли он работы Стафеева? Он сказал, нет. И тогда я стал хулиганить. Стал спрашивать таких известных ученых, для меня это было неожиданно. Потому что я знал от них, что они встречались уже, работы Рывкина – нет, Тучкевича – нет, Коломийца – нет, Наследова – нет. Ну, и в конце я говорю, а Алферова? А у меня был это самое бедж такой, что я, да, он уже начал говорит, «no», но затем увидел бедж, и сказал «yes, of course, I know»
Поэтому, когда я вернулся домой, я сказал своим коллегам, знаете, ни одного из вас, он знает только меня, больше никого из российских ученых он не знает.
Так вот, открытие транзистора – это одна компонента полупроводниковой революции. Главная, я думаю. Там, конечно, точный транзистор никто сегодня не использует. Но именно транзистор даже полевой именно транзистор – есть основа всех интегральных схем. А это электричество. А вот свет, как основа информационных технологий, не только этого, это вот Нобелевская премия по физике 1964 года, присужденная Чарлзу Таунсу, Николаю Басову и Александру Прохорову, здесь уже два наших советских физика, в 1964 году за фундаментальную работу в области квантовой электроники, которая привела к конструированию генераторов и усилителей, основанных на мазерно-лазерном принципе.
И, конечно, это вот такая мощная компонента революции, хотя сначала полупроводниковых лазеров там и не было. Лазерно-мазерный принцип начался с мазерного принципа, молекулярный и квантовый генераторы. Вот, к сожалению величайшему, видите, и Басов и Прохоров моложе Таунса. К сожалению, не то, что Таунс жив, а, к сожалению величайшему Басова и Прохорова нет с нами. Это, конечно, были совершено выдающиеся физики и уникальные люди.
Ну, и Чарлз Таунс точно также. Мне повезло тоже, я и с ним тоже общался довольно много. И помню в 2003 году я позвал многих лауреатов к нам в Питер на празднование 300-летия Петербурга, и Чарлз Таунс прочитал прекрасную лекцию по истории открытия мазерного принципа. Детально остановлюсь на том, что незадолго, когда были получены решающие результаты им вместе со своими студентами, его уже собирались выгнать из университета за многолетнюю бесплодную и бесперспективную работу.
Вот, когда мы говорим о квантовой электронике, о лазерном принципе, 2010 год – это юбилей лазеров. В этом году 50 лет, как был сделан Майманом первый рубиновый лазер. А научные основы этого дела были, в сущности, заложены Эйнштейном, Эйнштейном в 1916 году, в его очень известной работе, в которой он рассматривал плотность излучения спектральную, выводил просто термодинамический вывод распределения плотности излучения нагретых тел. Можно сказать, что вообще, квантовая механика и квантовая теория в значительной степени появились в результате развития ламп накаливания. Не могли объяснить, как работает лампа накаливания, для этого нужно было понять спектр излучения нагретых тел. Вот и появилась сначала гипотеза Планка, а потом и многое другое.
Так вот, Альберт Эйнштейн в этом термодинамическом выводе распределения плотности изучения нагретых тел ввел предположение, что существуют и спонтанные и индуцированные переходы, стимулированные. Что, возможно, стимулированное излучение, которое вызывается квантом той же частоты и той же фазы. Поэтому, вообще говоря,. теоретическая работа Эйнштейна 1916 года была фундаментом, в том числе и для лазеров в принципе. И лазеры могли появиться гораздо раньше. И был целый ряд предложений, в том числе некоторых таких трагических фигур в истории современной физики, среди которых я бы, прежде всего, назвал Фрица Хоутерманса, немецкого физика, приехавшего работать к нам в Харьков. Коммуниста германского, которого арестовали в 1937 году, а в 1940 передали Гестапо. У него среди очень многих ярких работ, в том числе статей, опубликованных им вместе с Курчатовым, была работа по световой лавине, где, в сущности, он, так сказать, ну, предсказывал возможность создания лазеров. Но…
Была работа прекрасная Фабриканта и Бугаева и у нас в ВЭИ, где они объяснили особенности спектров люминесценции нагретых газов, разряд стимулированными переходами. Вот. Но, вот впервые это было сделано Басовым, Прохоровым и Чарлзом Таунсом. На примере СВЧ, когда инверсную населенность для получения стимулированных переходов легче всего и проще всего было реализовать геометрическим разделением возбужденных и невозбужденных молекул. При этом занимался тогда и Басов и Прохоров, прежде всего, СВЧ, в том числе и радиочастотными исследованиями в астрофизике. Вот откуда появилась сама по себе мазерная техника.
Дальше в своей лекции Александр Михайлович, мне повезло в том плане, что с Александром Михайлович я много лет и работал вместе, он полупроводниковой лазерною техникою тоже интересовался ею очень сильно, вот в своей Нобелевской лекции он говорил, лазеры, а почему все-таки между мазерами и лазерами был опять период времени 5-6 лет? Могли бы сразу? Нужно было создать резонатор и нужно было разработать методы получения инверсной населенности, когда число, так сказать, частиц в возбужденном состоянии больше, чем в нормальном. Ну, вот Басов и Прохоров внесли в это дело огромный результат, и в создание резонатора, и в методах возбуждения, прежде всего, электромагнитным излучением, позже – оптическим для лазеров.
А потом очень быстро возникли полупроводниковые лазеры. Вот, понимаете, первый лазер – Майман , 1960 год. Очень долго были крайне плохие взаимоотношения у Маймана с Таунсом. Он… потому что Майман сделал первый лазер, а основы-то его были Таунсом заложены. Кто есть, как говорится, создатель лазеров? Ну, как говорится, Прохорова и Басова работы знал Таунс, но Майман, наверное, хуже, так бы он ревновал и к ним…
Значит, появился рубиновый лазер с возбуждением лампами накачки. Очень быстро появился газовый лазер Али Джавана, опять же. А вот в 1962 году появился полупроводниковый лазер. Он изображен здесь на этой картинке. Он изображен на этой картинке, как раз изображен первый арсенид галлиевый, полупроводниковый лазер, который сделал Роберт Холл на фирме «Дженерал электрик» в Скенектади, в штате Нью-Йорк, на кристаллах арсенида галлия. Тут же буквально через две недели на кристаллах галлий-мышьяк-фосфор в видимой области, арсенид галлия ближнее инфракрасное, 0,8 микрона, а галлий-мышьяк-фосфор – это уже примерно в районе 0,7 микрона, уже красный свет, сделал лазер Ник Холоньяк, мой близкий товарищ и друг, работавший на фирме «Дженерал электрик» в Сиракузах, тоже в штате Нью-Йорк.
Тут же, на фирме «Ай би эм» Маршал Нельсон сделал не лазер, а показал стимулированное излучение с резким уменьшением плотности излучения на pn-переходах в арсениде галлия практически одновременно с Робертом Холлом.
И, спустя месяц в ФИАНе здесь под руководством Басова и Вула был сделан первый советский лазер на полупроводниковых на pn-переходах, и основой его теоретически была предложена Крохиным и Поповым, Басовым, Крохиным и Поповым еще в 1961 году, на год раньше. Я помню, как глубокой осенью 1961 года на конференции по pn-переходам в Ташкенте я слушал доклад Олега Николаевича Крохина о методах получения отрицательной температуры, как говорилось тогда, для полупроводниковых лазеров, как это меня необычайно возбудило, и я именно с этого доклада стал интересоваться физикой лазеров.
А еще раньше, в январе 1962 года в нашем институте наблюдалось, ну, может быть, суперлюминесценция, хотя, мало вероятно, но эффективная излучательная рекомбинация в кристаллах арсенида галлия. Роберт Холл моментально прислал Наследову, в лаборатории которого это все наблюдалось свой, препринт своей работы по полупроводниковым лазерам, потому что он боялся, а вдруг русские уже сделали лазер тоже, так вот знайте, что я его уже сделал. И эта статья Роберта Холла, я помню, и на меня произвела очень большое впечатление. Дмитрий Николаевич мне ее отдал. Ну, а принцип его изображен здесь. Это вырожденный pn-переход в полупроводнике. Вырожденный – это значит, что концентрация примесей носителей заряда больше, чем минимальная концентрация на границе зон, когда уровень Ферми заходит в зону проводимости или валентную зону. Вот в случае выраженного pn-перехода, вы здесь автоматически имеете в узкой области, при приложении прямого смещения в очень узенькой области, вы получаете инверсную населенность.
И, значит, можете, сделав резонатор, и Роберт Холл резонатор делал, просто шлифуя кристалл, а Ник Холоньяк догадался, что можно скалывать по кристаллографическим плоскостям кристалл, и таким образом делать маленький крошечный резонатор арсенид-галлиевого лазера.
Но здесь получается такая вещь, что это излучение можно было получить только при охлаждении жидкими газами при температуре жидкого азота или даже жидкого гелия. И все достоинства полупроводникового лазера исчезали. С одной стороны, можно сказать, что полупроводниковый лазер, как и транзистор, это электронная компонента блестяще, с огромной эффективностью, преобразующая электричество в когерентное излучение, оно так, но для того, чтобы это происходило, на этом крошечном кристаллике, имеющем размер там сотни микрон, нужно иметь систему охлаждения, жидкий азот или жидкий гелий, и какая тут может быть микрооптоэлектроника?!
Поэтому статей появилось сразу масса. А практическое применение крайне ограниченное, и он не стал, лазер на pn-переходах, не стал такой компонентой, как транзистор.
В 2000 году Нобелевская премия была присуждена вот этой троице Джеку Килби, к сожалению, его уже тоже с нами нет, за его вклад в изобретение интегральных схем, и вашему покорному слуге вместе с Гербертом Кремером, немецким физиком-теоретиком, почти сразу в первые послевоенные годы уехавшем в США и работавшим практически всю свою жизнь в Соединенных Штатах Америки, ну, пионером теоретических исследований гетероструктур.
Вот, гетероструктуры – это вторая мощная компонента развития современной полупроводниковой электроники. Профессор Торт Классен, который был в это время председателем Нобелевского комитета по физике, он отмечал в своей речи, какую роль сыграл чип, а для гетероструктур он отметил не только лазеры и высокоскоростная электроника, а что это одновременно лаборатория низкоразмерных электронных газов. Именно на гетероструктурах были открыты такие явления физики, как просто квантовый холл-эффект, или же дробный квантовый холл-эффект. А потом развились не только двумерные, нульмерные структуры по этой части. Так что это вот одновременно и огромное количество практических применений, и вместе с тем, крайне интересная лаборатория для исследования многих новых физических явлений.
Вот Килби в своей лекции отмечал, что, … Смотрите, я у вас чего-то сегодня, по-моему, слишком долго рассказываю?
Килби отмечал в своей лекции, что в это трудно поверить, он сказал, но, когда появились первые интегральные схемы, убедить, что они имеют широкое применение в будущем, было крайне тяжело.
Он отмечал, между прочим, что решающую роль в развитии кремниевой микроэлектроники на основе интегральных схем сыграли военные проекты. Программа «Минитмен», создание ракет, и «Аполлон», программа «Аполлон», полета на Луну, потому что там уже, в этом случае не очень смотрели насколько это дорого, а какие дает преимущества.
Кремер подчеркнул очень важную деталь гетероперехода, что это граница раздела разных полупроводниковых материалов, она уже сама является прибором, приборной структурой. Ну, а ваш покорный слуга отметил в своей лекции, что, ежели инжекция неравновесных носителей заряда, легирование полупроводника есть те технологические и физические явления, из которых выросла вся полупроводниковая электроника, то гетероструктуры решают значительно более общую задачу. Они дают возможность создавать кристаллы. Лио Исаки позже их назвал made crystals, кристаллы, сделанные человеком, в отличие от всех обычных, даже получаемых в лаборатории материалах, потому что здесь мы можем создавать условия, которых вообще и не существует в природе. И таким образом, man made crystal дает нам возможность управлять и носителями заряда, электронами, и фотонами на совершенно иных принципах, которые просто в обычных материалах реализовать не удается.
Вот первую интегральную схему Килби сделал, между прочим, это просто из его ноутбука, сделал просто брал кусочек кремниевый транзистор, к нем приставлял pn-переход, который был бы емкостью, к нему приставлял кусочек кремния, который служил бы сопротивлением, и таким образом реализовывал схему из одного полупроводникового материала кремния.
Роберт Нойс, спустя пару лет после Килби, сделал первую реальную интегральную схему, в которой применил метод фотолитографии и диффузии примесей через слой SiO2 окись кремния, кремний потому и стал таким широко применяемым в микроэлектронике материалом, благодаря уникальным свойствам естественной окиси кремния SiO2, через который изоляционный слой вы можете делать фотолитографическими методами создавать схемы. И вот здесь в этой схеме уже было несколько транзисторов, rc-цепочек это уже реальный точно такой же принципиально кремниевый чип, как и нынешний, только плотность элементов совсем другая.