Жорес Иванович Алферов был автором ряда новаторских работ, которые составили базу и являлись стимулом развития физики полупроводников, а именно раздела, который посвящен полупроводниковым гетероструктурам. Данное направление науки позволило осуществить прорыв в области информационных технологий и полупроводниковой электроники. Так, современный уровень использования оптоволоконной связи был бы невозможен без миниатюрных инжекционных лазеров на основе полупроводников, в основу которых были положены идеи работ Ж.И. Алферова.
Как ученый Ж. И. сформировался в Физико-техническом институте, который был основан известным и талантливым российским физиком А. Ф Иоффе.
В первые годы своей научной деятельности Ж.И. Алферов занимался физикой мощных полупроводниковых вентилей – тиристоров. Эти вентили в то время создавались на основе кристаллов германия и применялись на подводных лодках.
Немного позднее Ж.И. Алферов заинтересовался квантовой физикой полупроводниковых приборов.
Главной темой научно – технических изысканий Ж.И. Алферова стали гетерогенные переходы в полупроводниках. Идея гетеропереходов существовала давно. При таком переходе контактируют два разных по химическому составу полупроводника, обладающих разной шириной «запрещенных зон», которые делят энергетические зоны кристаллов, осуществляющих проводимость. Претворение в жизнь идеи гетероперехода давала возможность создать электронные приборы принципиально иной эффективности и уменьшить их до минимальных размеров. Реализовать гетеропереход невозможно просто механическим соединением веществ.
Исследовать и пытаться реализовать гетеропереход Ж.И. Алферова отговаривали многие авторитетные ученые. Попытки других ученых выполнить эту работу не увенчались успехом. Причина состояла в том, что создать «идеальный» гетеропереход сложно.
Близким к идеальному считается гетеропереход, в котором размеры элементарных ячеек кристаллических решеток разных полупроводников, участвующих в переходе почти совпадали бы. Поиск такой гетеропары был безуспешен.
Для идеального гетероперехода более всего подходили арсенид галлия и арсенид алюминия, но арсенид алюминия очень быстро окисляется в воздухе, поэтому его не могли использовать. Оказалось, что неустойчивый арсенид алюминия устойчив в «твердом растворе», соединении алюминий – галлий – арсениум.
В 1968 г. заработал первый в мире гетеролазер. Немного позднее Ж.И. Алферов и его команда сконструировали первый полупроводниковый гетеролазер, который работал непрерывно при комнатной температуре.
За лазером на гетеропереходах были разработаны множество других приборов, включая преобразователь солнечной энергии.
Первый лазер работал недолгое время. Следующей задачей была задача продление срока службы данных лазеров, и она была успешно решена. В настоящее время звуковая и видеоинформация считывается полупроводниковыми гетеролазерами. Эти лазеры теперь применяются в большом числе оптоэлектронных устройствах.
Изобретения и исследования Ж.И. Алферова
В 1963 году Ж.И. Алферов в соавторстве с Р.Ф. Казариновым получил патент на изобретение полупроводникового лазера с электрической накачкой. Предложенный учеными лазер был сделан в виде монокристаллической структуры
$p-i-n\ (p^+-n-n^+,\ {\ n}^+-p-p^+)$
c широкой запрещенной зоной. Сконструированный лазер давал большую поверхность излучения.
В 1966 году Ж.И. Алферовым с соавторами был предложен принцип работы полупроводникового выпрямителя на основе
$ p-i-n$ ($p-n-n^+,\ n-p-p^+$) – структуры с гетеропереходами.
В 1967 году Алферов изучает инжекционные свойства гетеропереходов твердых растворов ${Al}_x{Ga}_{1-x}As$ для создания эффективных эмиттеров. Алферов отмечает то, что гетеропереходы $AlAs-GaAs$ являются интересными, поскольку материалы обладают близкими значениями постоянных решетки. В этой связи в эпитаксиальных монокристаллических гетеропереходах в такой системе материалов можно ожидать получения структур, в которых отсутствуют поверхностные состояния на границе раздела. Подобные пары материалов являются самыми перспективными для конструирования приборов на основе гетеропереходов.
В этот период Алферов тщательно исследует и описывает электрические свойства и зонную модель гетеропереходов.
К началу 70-х годов Алферов занимается изучением инжекционных лазеров на основе $ n-p-p^+ (p-n-n^+)$ структур с гетеропереходами в системе AlAs-GaAs, полученных методом жидкостной эпитаксии. Он создает инжекционные лазеры на основе гетеропереходов в системе $AlAs-GaAs$ с низким порогом генерации при комнатной температуре.
Получение идеальных гетеропереходов в системе $AlAs-GaAs$ и описание их уникальных инжекционных свойств дали возможность получить инжекционные лазеры с пороговыми токами, много меньшими, чем в аналогичных приборах с $p-n$ – гомопереходами.
В идеальном гетеролазере активная область находится между двумя широкозонными эмиттерами. Области рекомбинации, генерации когерентного излучения и инверсии населенности совпадают и находятся в среднем слое.
Из-за потенциальных барьеров на границах гетеропереходов нет рекомбинационных потерь на пассивных областях, электронно- дырочная плазма находится в «потенциальном ящике» среднего слоя. Поскольку имеется значимая разница показателей преломления (средний слой обладает большой оптической плотностью и выступает в роли хорошего волновода) потери излучения света в пассивных областях малы.
С начала 70-х годов коллектив соавторов во главе с Ж.И. Алферовым исследует возможность создания эффективных фотоэлементов на основе гетеропереходов. Солнечные преобразователи были получены при выращивании эпитаксиальных слоев твердых растворов AlAs-GaAs p- типа проводимости на подложках n- GaAs.
В 1973 году Ж.И. Алферов получил авторское свидетельство за изобретение полупроводникового оптического квантового генератора. Данный генератор имел большую, чем у аналогов мощность и направленность излучения.
В 1973 г. Алферов исследует возможности создания электрических и фотоэлектрических фототранзисторов на основе гетеропереходов.
С начала 70- х годов российские ученые конкурируют с американскими разрабатывая промышленную технологию создания полупроводников на основе гетероструктур. Наши ученые стали первыми всего на месяц.
За разработки в области полупроводниковых гетеропереходов Ж.И. Алферов в 2000 году стал лауреатом Нобелевской премии.
Значение работ Ж.И. Алферова
В наше время лазеры, основой которых являются гетероструктуры используют:
- Для доставки информации в оптоволоконные кабели.
- Для проигрывания и записи CD – дисков.
Гетероструктурные светодиоды применяют в приборах освещения.
Развитие нанотехнологий дает возможность конструировать полупроводниковые системы с разными характеристиками. В настоящее время имеется возможность создавать гетероструктуры из отдельных атомов. Ж.И. Алферов работал над изучением и созданием квантовых проволок и квантовых точек.
