Два из трех открытий, заложивших основы современных информационных технологий, были отмечены Нобелевскими премиями по физике в 1947 году (открытие транзистора) и в 1964 году (открытие лазерно-мазерного принципа). Третье, произошедшее в 1958 году, — создание интегральных схем — «дождалось» своей очереди только в 2000 году.
Половину премии получил 77-летний Джек Килби — непосредственный создатель микрочипов, а вторую половину разделили директор Физико-технического института им. Иоффе (Санкт-Петербург), академик Российской академии наук Жорес Алферов и профессор Калифорнийского университета в Санта-Барбаре, американец немецкого происхождения Герберт Кремер, за «развитие полупроводниковых гетероструктур, используемых в высокоскоростной оптоэлектронике» (так сказано в решении Нобелевского комитета).
Оценивая эти работы, эксперты отметили, что «интегральные схемы есть, безусловно, открытие века, оказавшее сильнейшее влияние на общество и мировую экономику». Для самого же Килби присуждение Нобелевской премии оказалось сюрпризом. В интервью журналу Europhysics News он признался: «В то время я лишь думал о том, что было бы важным для развития электроники с точки зрения экономики. Но я не понимал тогда, что снижение стоимости электронных изделий вызовет лавинный рост электронных технологий».
Двое других лауреатов увеличили возможности полупроводниковых технологий, предложив концепцию сверхрешеток. Кремер был первым, кто создал транзистор на гетероструктурах, а Алферов впервые продемонстрировал лазер на гетероструктурах, основанных на арсениде галлия. Современные технологии эпитаксиального роста, вобравшие в себя многие идеи теории гетероструктур, в настоящее время широко используются для создания полупроводниковых приборов, лазеров и светоизлучающих диодов.
«Должно было пройти много, много времени, прежде чем подобные идеи могли бы быть воплощены в промышленном производстве», — сказал Кремер, добавив: «Только в 90-х годах эти идеи стали ключевыми в твердотельной электронике. Теперь невозможно себе представить, например, чтобы компакт-диски могли бы существовать без лазеров, созданных на гетероструктурах».
Недавно Жорес Алферов выступил в переполненном конференц-зале Физического института РАН. Его выступление не было полным аналогом Нобелевской лекции, более того, то, о чем здесь говорилось, было достаточно хорошо знакомо собравшимся. Те работы, за которые была присуждена премия, многократно докладывались и в ФИАНе. В частности, более четверти века назад в этом же зале проходило общественное обсуждение работы по фундаментальным исследованиям гетероструктур, выдвинутой на Ленинскую премию. Однако в зале было много молодых лиц, так что выступление Алферова во многом было обращено к молодым ученым, количество которых в точных науках, кстати, впервые за последние десять лет растет.
Прежде чем перейти непосредственно к предмету доклада, лауреат сделал несколько замечаний общего порядка. Первое, что отметил Алферов, — нетрадиционный характер присуждения последних Нобелевских премий по физике.
«Присуждение Нобелевской премии в 2000 году за работы, которые, как сформулировано комитетом, явились основой современных информационных технологий, думаю, не случайно. В конце столетия шведская Королевская академия наук и Нобелевский комитет по физике решили отметить именно этот цикл работ. Сразу после присуждения премии в зарубежной печати, а возможно и у нас, высказывалось мнение, что премиями отмечались всегда сугубо фундаментальные исследования, а в этом году она присуждена за работы, в которых технические приложения являются, может быть, даже и основными», — сказал академик. Что ж, время прагматизма...
Физической основой информационных технологий является квантовая физика и, конечно, ХХ век — это век квантовой физики. Символично, что в период Нобелевской недели в Стокгольме, мероприятия для Швеции исключительно торжественного, научный мир отметил столетие основополагающих работ создателя квантовой физики Макса Планка, в свое время также удостоенного Нобелевской премии. Как утверждает Алферов, квантовая физика явилась не только основой научно-технического прогресса, но и основой миропонимания и основой теории познания в ХХ веке, а также огромным элементом человеческой культуры. Однако практическая реализация всего трех идей физики, на взгляд лауреата, полностью изменила социальную жизнь планеты и социальную структуру общества, перевернув технику и технологию. Все три открытия отмечены Нобелевскими премиями. Это: открытие деления урана в 1939 году Карлом Штрассманом (премия 1945 года по химии), в конце войны интернированного в Англию вместе с группой ученых, участвовавших в немецком атомном проекте; открытие транзистора в 1947 году Джоном Бардином, Уолтером Браттейном и Вильямом Шокли (премия 1956 года); и наконец, открытие лазерно-мазерного принципа Александром Прохоровым, Николаем Басовым и Чарльзом Таунсом (премия 1964 года).
«Открытие лазерно-мазерного принципа сыграло огромную роль не только в информационных технологиях. Вместе с транзистором именно эти два открытия играют основную роль в постиндустриальном обществе», — отметил Алферов.
Во всех этих работах не последнюю роль играли советские ученые. Если брать открытие транзистора, то очень много было сделано школой физики полупроводников ленинградского Физико-технического института; А.Ф. Иоффе c полным правом можно назвать пионером мировых исследований по физике полупроводников.
«Однако непосредственно эти работы были сделаны на Bell Telephone, и эта троица — Шокли, Бардин, Браттейн — была удостоена Нобелевской премии», — с некоторой горечью констатировал Алферов.
Безусловно, транзистор — величайшее открытие. Конечно, он является основой современной элементной базы вычислительных систем. Без сомнения, вся современная физика полупроводников возникла из исследований процессов в транзисторе. Но нужно понимать: если бы не появились интегральные схемы, не было бы и сегодняшнего информационного «взрыва». Идея интегральных схем, вообще говоря, нетривиальна, ведь после изобретения транзистора все запросы, казалось, были удовлетворены — был создан миниатюрный прибор, потребляющий не так много энергии, во всяком случае, намного меньше, чем широко тогда используемые вакуумные лампы.
Первая интегральная схема была выполнена, как известно, на монокристалле германия и представляла собой два транзистора с напыленными золотыми контактами в качестве межсоединений. Затем были работы Роберта Нойса, ученика Шокли, поехавшего вместе с ним в Кремниевую долину — там до сих пор именуют Шокли не иначе как Моисеем Кремниевой долины. Шокли пытался было заняться коммерческими проектами, но это оказался ему не по плечу и он потерпел полный провал, оказавшись чрезвычайно плохим бизнесменом и еще худшим руководителем коммерческой фирмы. Его сотрудники разбежались, однако Нойс оставался с ним еще долгое время, выпустив в свет широко известную работу по рекомбинации в широкозонных полупроводниках. Но, быть может, самое главное его достижение заключается в том, что Нойс, опираясь на проведенные ранее работы, прежде всего работы Джона Молла, предложил использовать «сэндвич», диэлектрическое покрытие кремниевой пластины диоксидом кремния. Если бы Нойс не скончался в 1990 году, его имя, без сомнения, также было среди Нобелевских лауреатов этого года.
Сегодня очевидно, что кремниевая технология — это гораздо больше, чем просто интеграция большого количества элементов. Это принципиально новая технология, которая для очень и очень многих людей определяет их стиль жизни. Причем свободный стиль жизни, потому что в информационной эре личная свобода достигается не благодаря физической подвижности, а благодаря подвижности ментальной. Всего десять-пятнадцать лет назад казалось, что при переходе на субмикронные размеры наступят принципиальные ограничения, но сегодня ясно, что технология вышла в промышленных масштабах на 0,25 мкм, выходит на 0,18 мкм, а к 2005 году должна выйти на 0,1 мкм. Можно только удивляться тому, что все это еще классические технологии, где не проявляются эффекты, связанные с квантовыми размерами.
Удивителен и тот гигантский рост потенциальных возможностей информационных технологий, в свою очередь оказывающих решающее влияние на экономическую и социальную структуру общества. Особенно явно это видно на примере США, которые еще в конце ХIХ столетия были сельскохозяйственной страной, ведь большинство работающего населения было занято в сельском хозяйстве. Но уже полвека спустя в США образовалась постиндустриальная, или информационная структура общества. Значительная часть работающего населения оказалась занятой в сфере получения, обработки, использования и передачи информации. Стоит заметить, что Советский Союз так и не смог перевести свою экономику на постиндустриальные рельсы.
«Начиная с 1970 года, вот уже более тридцати лет, несмотря на все разговоры об информационном «взрыве», об огромном объеме информации, который нужно перерабатывать, эта группа численно не увеличивается — она по-прежнему 50% работающего населения. Увеличивается число занятых в сфере обслуживания, понемногу падает число занятых в промышленности и сельском хозяйстве, а в сфере информации произошло своеобразное насыщение. А произошло оно прежде всего потому, что развивалась микроэлектроника, что компьютеры позволили обрабатывать значительно большие объемы информации», — подчеркнул лауреат.
Рассматривая, например, промышленность США за последние три десятилетия, можно видеть, что электроника вообще и микроэлектроника в частности, были самыми динамично развивающимися отраслями американской экономики. Действительно, если в автомобильной промышленности в эти годы годовой рост продаж находился на уровне не более 1,5%, если современная химия — промышленное производство полимерных материалов — набирала в год не более 5%, то электроника имела рост в 15%, а микроэлектроника — в 25%. Однако в последнее время этот процесс для кремниевой микроэлектроники замедлился; рост составляет около 13%. При этом в 200 году мировой объем продаж электронных полупроводниковых компонентов составляет около 170 млрд. долл. 90% от этих объемов — кремниевая микроэлектроника, но вот уже 10% — компоненты на основе полупроводниковых гетероструктур и это, конечно, достаточно большая сумма.
Любопытно, что первый полупроводниковый прибор, селеновый фотоэлемент, описанный в работе Адамса еще в 1876 году, уже представлял собой гетероструктуру «селен-кадмий-селен». Значительно позднее, в 1939 году, выдающимся российским физиком-теоретиком Борисом Давыдовым была опубликована работа «Диффузионная теория выпрямления в полупроводниках», которая, между прочим, явилась основой для созданной Шокли теории p-n-структур. Давыдов изучал гетероструктуры, поскольку в то время внимание исследователей было приковано к границам раздела. Таким образом, внимание к гетероструктурам было проявлено значительно раньше, чем был создан германиевый (и кремниевый) транзистор.
«Затем была гениальная догадка Джона Бардина о том, что в точечном транзисторе искривленные зоны полупроводника на поверхности под металлическим контактом создают p-n-переход, и что, таким образом, свойства транзистора и его работа определяются инжекцией неравновесных носителей заряда», — сказал Алферов.
Вот это свойство инжекции носителей заряда и обеспечивает работу очень многих полупроводниковых приборов. В одном из патентов Шокли (1951 год) было предложено для осуществления независимости коэффициента усиления транзистора от тока использовать широкозонный эмиттер. В 60-е годы появились работы Кремера, который вновь теоретически рассмотрел работу транзистора с широкозонным эмиттером, а также транзистора, в котором база имела переменную запрещенную зону.
«Сейчас это кажется тривиальным, но тогда это было совсем непросто, — считает Алферов, — поскольку переменная запрещенная зона предполагает переменный химический состав базы, иными словами, гетероструктуру».
Интересна история создания и другого прибора, полупроводникового лазера.
«Чрезвычайно важный результат, в котором Физический институт сыграл огромную роль, нашел отражение в 1980 году в работе Басова, Крохина и Попова, в которой была показана возможность создания полупроводникового лазера, создания инверсной населенности в вырожденных p-n-структурах, — продолжает академик. — Еще в 1962 году ленинградский физик Александр Рогачев, изучая излучательную рекомбинацию в арсениде галлия, близко подошел к созданию когерентного источника излучения, но он не знал, как работает лазер. Однако в его работе было указано, что наблюдаемый физический эффект может быть объяснен с помощью стимулированного излучения».
Уже к концу 1962 года появились экспериментальные работы General Electric и IBM, где наблюдалось стимулированное излучение в p-n-структуре арсенида галлия, а в январе 1963 года аналогичные результаты были получены в ФИАНе. Вслед за этим Алферов, ознакомившись с тем, как работает обычный лазер, предложил создать полупроводниковый лазер на основе двойной гетероструктуры. Что было сразу и сделано, однако информация об этом тогда была засекречена и она была опубликована лишь много лет спустя. Секретность была снята только после публикации аналогичного предложения Кремера в США.
В 1987 году Алферова пригласили на конференцию в Балтиморе сделать доклад по истории создания лазеров на гетероструктурах. Приглашенным докладчикам по истории различных типов лазеров был задан один и тот же вопрос: «Что будет в 2012 году?» Почему именно в 2012-м? Потому что в 1987 году исполнилось 25 лет создания полупроводниковых лазеров; что же будет спустя пятьдесят лет?
«Я ответил тогда совсем не так, как ответил бы сегодня. Конечно, я не предполагал тогда, что сегодня квантовые точки будут основным типом гетероструктур в полупроводниках. Что же касается применения, очень бурно растут объемы продаж полупроводниковых лазеров — и 30%, и 40%, поэтому, по оценке, к 2010 году для других типов лазеров практически ничего не останется», — поделился своим прогнозом Алферов. Считается, что около 90% лазерного рынка к тому времени действительно займут полупроводниковые лазеры, обеспечив все применения для лазеров в целом.
Гетероструктуры все активнее вторгаются и в область оптоэлектроники, и в скоростную микроэлектронику, и высокотемпературную силовую электронику, и в солнечную энергетику. Так, в солнечной энергетике используются наиболее дорогие по технологии изготовления гетероструктуры, но наиболее дешевые по производству электричества. В целом, в ХХI веке гетероструктуры в электронике оставят всего 1% рынка для гомоструктур, в том числе и для чисто кремниевых.
«Это случилось со мной в Чикаго около двадцати лет назад. Не зная, как важно будет американским президентам иметь поддержку определенных групп населения, я сказал, что со временем на долю гетероструктур в электронике будет приходиться 99%, то есть так, как в живой природе. По окончании выступления ко мне подошел вице-президент нефтяной компании Amoko и сказал: ?профессор Алферов, здесь, на Северо-Западе, это еще, как говорится, туда-сюда; но если Вы доедете до Кремниевой долины, там Вас просто побьют за такие замечания?», — смеется лауреат.
Конечно, аудитории хотелось бы задать Жоресу Алферову ряд вопросов как научного, так и личного характера, однако он предупредил, что, согласно традициям, Нобелевским лауреатам вопросов не задают.
Дмитрий Мурин — сотрудник Физического института РАН
