Труженики "нулевого цикла"

Труженики "нулевого цикла"

или рассказ о том, как извлекли из жидкого азота полупроводниковые лазеры, заставили их непрерывно излучать при комнатной температуре и переместили частоту излучения в диапазон видимого света.

Слова «нулевой цикл» — узаконенный строительный термин, он относится к сооружению той части здания, которая лежит ниже уровня земли, ниже нулевой отметки. Проще говоря, «нулевой цикл» — это закладка фундамента. Именно с него, с этого цикла, с этого комплекса сложных и трудоемких работ, начинается строительство любого объекта. Потом вырастают на прочном фундаменте этажи, появляются нарядные интерьеры, уютные квартиры, быстроходные лифты, и уже мало кто задумывается о том, с чего начинался дом.

Во всяком деле имеются свои «нулевые циклы», свои невидимые миру фундаментальные работы, истинное значение которых зачастую понимают лишь специалисты. Сейчас нам предстоит интересная встреча с группой ученых, которые сегодня работают на переднем крае физики полупроводников, создают фундамент для электроники завтрашнего дня. Это лауреаты премии Ленинского комсомола 1976 г. Иван Арсентьев, Петр Копьев, Вячеслав Мишурный и Валерий Румянцев. Для встречи с ними мы отправляемся в Ленинград, в ордена Ленина Физико-технический институт им. А. Ф. Иоффе Академии наук СССР, или, как его иногда коротко называют, Физтех. Наш конечный пункт — лаборатория контактных явлений в полупроводниках. Руководит ею лауреат Ленинской премии академик Жорес Иванович Алферов.

Известно, что все вещества можно разделить на две группы — проводники и диэлектрики (изоляторы): в проводниках есть свободные электрические заряды, а в диэлектриках свободных зарядов нет. Между проводниками и диэлектриками находится еще одна большая группа веществ, которые называют полупроводниками. В полупроводниках есть свободные заряды, но их во много тысяч раз меньше, чем, скажем, в меди или железе. Поэтому полупроводники сами по себе проводят ток значительно хуже, чем классические проводники — металлы.

Обратите внимание на оговорку «сами по себе» — от нее начинается путь к удивительным явлениям, которые как раз и определили интерес современной техники к полупроводниковым материалам.

Физики с виртуозной точностью научились производить с полупроводниками различные операции, которые можно объединить одним понятием — «легирование». Легирование есть не что иное, как введение различных примесей в чистый полупроводниковый материал. Эти примеси, даже если они в ничтожных количествах — миллионные и миллиардные доли процента, — радикально меняют свойства «самого по себе» полупроводника.

Действие примесей в самом упрощенном виде можно описать так: они занимают места в кристаллической решетке основного вещества; в результате такой замены в полупроводнике резко возрастает количество свободных зарядов, и по своим свойствам он заметно приближается к металлическому проводнику.

После введения некоторых примесей — их называют донорами — в полупроводнике появляются свободные электроны; на рисунках в популярных брошюрах их обычно изображают в виде этаких маленьких бегающих шариков или кружков с «минусом» в середине. Другие примеси — их называют акцепторами — создают в полупроводнике свободные положительные заряды; на рисунках их изображают тоже в виде шариков или кружков, но уже, конечно, с «плюсом» в середине. Причем в таком рисунке значительно больше искажается истина, чем там, где в виде шариков изображались свободные электроны. Дело в том, что свободных, подвижных частиц с положительным зарядом, с «плюсом», в полупроводниковом материале вообще нет. Их роль выполняют так называемые «дырки» — положительные заряды неподвижных атомов с недостающими электронами на орбите. Такой атом может перехватить электрон у своего соседа, и теперь уже тот станет носителем положительного заряда. В результате быстрого перескакивания электрона из атома в атом в полупроводнике, по сути дела, перемещается «дырка», т. е., по сути дела, движется положительный заряд.

Полупроводниковые материалы с донорными примесями называют полупроводниками n-типа, а с акцепторными примесями — полупроводниками p-типа. Главное волшебство начинается там, где в одном кристалле соприкасаются участки с электрической проводимостью разного типа. Такая область соприкосновения называется р-n-переходом (рис. 1).

Уже одиночный р-n-переход есть основа вполне законченного электронного прибора — диода, который пропускает ток только в одну сторону: только от зоны р к зоне n. Он делает то, что раньше поручали электровакуумному диоду — радиолампе с двумя металлическими электродами. А трехслойный «пирог» — кристалл с двумя переходами, т. е. со структурой р-n-р или n-р-n — это уже усилительный прибор, транзистор.

Основой традиционных полупроводниковых диодов или транзисторов всегда был однородный полупроводниковый кристалл — германий или кремний. В самом кристалле, как уже говорилось, имелись области с разными примесями, но основной материал оставался неизменным. Но существуют еще так называемые гетероструктуры, в которых не только создают области с разными свободными зарядами — электронами и «дырками», но и по мере выращивания кристалла меняют саму его основу, само вещество, из которого строится кристаллическая решетка. Начинают, на пример, выращивать кристалл из одного раствора, из арсенида галлия GaAs, а продолжают выращивание, заменяя частично или полностью атомы галлия на атомы алюминия (рис. 5, 7). Таким образом, гетеропереход — это контакт различных по химическому составу полупроводников, осуществленный в одном кристалле.

Для чего это нужно? Для чего простой однородный кристалл заменять сложными гетероструктурами? Конечно же, делается это ради определенных практических выигрышей. Создание гетероструктур есть принципиально новый способ управления физическими процессами, происходящими в полупроводниковом приборе. Очень отдаленно это напоминает создание сложных многоэлектродных радиоламп: чтобы управлять движением зарядов в лампе, улучшать ее усилительные способности, в баллон вводили дополнительные электроды — ставили дополнительные спирали и сетки на пути электронного луча, тормозили или ускоряли электроны электрическими полями, сжимали электронный поток своего рода отражающими пластинами. В полупроводниковый кристаллик не влезешь, чтобы как-то повлиять на движение зарядов в нем. Но зато тонкими технологическими приемами, созданием гетероструктур, можно влиять на физические свойства кристаллика в определенных его участках и именно таким способом добиваться нужных характеристик будущего прибора.

Уже с первых своих шагов физика полупроводников вступила в союз с оптикой, и в наши дни благодаря этому союзу техника получила немало прекрасных подарков, таких, например, как полупроводниковые фотоэлементы, превращающие световую энергию в электрическую, — из них, в частности, собраны панели солнечных батарей, которые кормят электроэнергией космические корабли. Или таких, как светодиоды, из которых собирают цифровые табло многих микрокомпьютеров. Или, наконец, полупроводниковые лазеры — предмет исследований нашей четверки молодых физиков.

Полупроводниковый лазер — это тот же диод. Или, если точнее, определенного типа полупроводниковый диод при определенных условиях может давать лазерное излучение. Когда диод включен в прямом направлении и пропускает так, то к р-n-переходу с обеих сторон движутся заряды: из зоны n — электроны, из зоны р — «дырки». В узкой области р-n-перехода они рекомбинируют, объединяются — свободные электроны занимают места в атомах с недостающими электронами. И каждый такой акт рекомбинации сопровождается выделением порции энергии, часто излучением кванта в видимой или инфракрасной области спектра. Частота (длина волны) излучения зависит от так называемой ширины запрещенной зоны данного полупроводника. Это настолько важная характеристика, что о ней стоит сказать несколько слов особо.

Электроны на орбитах атома могут обладать строго определенными запасами энергии, или, иными словами, могут иметь строго определенные энергетические уровни. Их принято отображать горизонтальными линиями на диаграмме уровней: чем больше энергия электрона, тем выше расположена линия (рис. 2).

Самые высокие — уровни внешних, валентных электронов, комплект этих уровней называют валентной зоной. Здесь слово «зона» не имеет ничего общего с районами кристалла, с его зонами n и р; просто два разных понятия названы одним и тем же словом «зона». Можно каким-то образом еще больше увеличить энергию электрона, но при этом он уже уйдет из атома, станет свободной частицей. Такие электроны как раз и участвуют в создании тока, их называют электронами проводимости. А комплект энергетических уровней этих электронов образует так называемую зону проводимости. Она, конечно, выше, чем валентная зона. И не просто выше — между валентной зоной и зоной проводимости всегда существует скачок; имеется некоторый диапазон энергетических состояний, в которых электрон в принципе не может находиться. Именно «в принципе» — это запрещено законами квантовой механики. Вот этот диапазон запрещенных состояний, запрещенных уровней и называют запрещенной зоной.

Энергия электронов, их энергетический уровень, измеряется в электронвольтах. В этих же единицах измеряется и ширина запрещенной зоны, т. е. различие энергетических уровней. Ширина запрещенной зоны определяется самим полупроводниковым веществом, его химическим составом и структурой.

Рекомбинация пары электрон — «дырка» — это, по сути дела, переход электрона из зоны проводимости в валентную зону. Энергия, которую теряет электрон, как раз и расходуется на излучение. И она, эта энергия, естественно, тем больше, чем выше энергетическая ступенька, с которой «спрыгнул» электрон. А чем большая энергия вложена в квант излучения, тем выше его частота, короче длина волны.

В зоне проводимости, так же как и в валентной, много близких уровней, и из области p-n-перехода, где рекомбинируют электроны и «дырки», идет излучение разных, хотя и довольно близких, частот. Излучение, разумеется, появляется лишь тогда, когда через р-n-переход идет ток, и расходится оно по кристаллу во все стороны. Пока это еще не лазер; так работает, скажем, светодиод: создал ток, получил свет. Чтобы получить лазерный луч, т. е. монохроматическое, когерентное излучение, нужно выполнить целый ряд особых условий. Главное из них — необходимо добиться, чтобы многие электроны одновременно излучали на близких частотах. На очень близких. А для этого в свою очередь нужно, чтобы большое количество электронов поднялось на очень близкие энергетические ступеньки в зоне проводимости. И итог, к сожалению, не очень радостный — для получения лазерного излучения из р-n-перехода нужно пропустить через него большой ток (рис. 3). Этот ток не что иное, как ток накачки, он поставляет в р-n-переход сами излучатели, поставляет электроны и «дырки».

В огромном семействе лазеров полупроводниковые лазеры выделяются несколькими неповторимыми особенностями. В них, например, легко управлять интенсивностью излучения, модулировать его, для этого достаточно просто менять силу тока через переход; эти лазеры миниатюрны, только они пока могут на равных войти в современную электронику, где размеры деталей измеряются миллиметрами и микронами.

Идея полупроводниковых лазеров появилась лет двадцать назад, на заре квантовой электроники, огромный вклад в ее реализацию внесли советские физики, главным образом в Москве, в Физическом институте им. П. Н. Лебедева, и в Ленинграде, в Физтехе. В течение сравнительно короткого времени были найдены десятки полупроводниковых материалов для лазеров, созданы конкретные приборы. Однако долгие годы оставался практически неустранимым главный недостаток приборов — необходимость большого тока накачки. Из-за этого, в частности, лазеры, работающие в непрерывном режиме, приходилось сильно охлаждать, обычно до температуры жидкого азота (—196 °C). И именно идея гетеропереходов открыла путь к резкому снижению тока накачки.

В полупроводниковом лазере с простейшей гетероструктурой одна из областей кристалла, скажем зона р, образована из двух разных веществ (рис. 5). Причем вещество, которое находится дальше от р-n-перехода, имеет большую ширину запрещенной зоны. И благодаря этому оно как бы отталкивает в сторону р-n-перехода электроны, которые за счет диффузии неизбежно пролезают на чужую территорию. В более сложной структуре еще и вещество зоны n подбирают с таким расчетом, чтобы в нее за счет диффузии не протекали «дырки», В результате в узкой области самого перехода «бесплатно» повышается концентрация электронов и «дырок», а значит, уже нужен меньший ток для накачки лазера. И появляются гетеролазеры, дающие непрерывное излучение при сравнительно высокой температуре, вплоть до комнатной и выше. Впервые в мире такие лазеры были созданы в Физтехе в 1969 г.

Это только просто говорится «кристалл образован из двух разных веществ». В действительности же стыковка двух веществ в одном кристалле для лазера — дело очень сложное. Прежде всего нужно с высокой точностью согласовать постоянную решетки— расстояние между атомами исходных веществ (рис. 4).

Если постоянная решетки будет различаться хотя бы на несколько сотых долей ангстрема, то никакого лазера не получится, все излучение погибнет внутри кристалла, на его внутренних дефектах. Кроме того, должны быть подобраны температурные и оптические характеристики материалов. Переход от одного материала к другому должен сопровождаться определенным изменением ширины запрещенной зоны — в этом-то и смысл гетероперехода. Причем запрещенная зона активной области должна обеспечивать заданную длину волны излучения. Кстати, именно эта сторона дела была предметом исследований героев нашего повествования.

Дело в том, что первые гетеролазеры излучали в инфракрасной и красной областях — запрещенная зона излучающего вещества, как правило, получалась довольно узкой. И задача ставилась так: создать гетероструктуру с более широкозонной излучающей областью. Работы велись с трехкомпонентными твердыми растворами соединений АВ, в то время уже традиционными; обозначение А₃B₅ говорит о том, что в соединение входят элементы третьей и пятой групп таблицы Менделеева, например фосфор и индий (InP) или галлий и мышьяк (GaAs). Твердый раствор — это, по сути дела, гибрид двух кристаллов; он выращивается из расплава, в котором есть компоненты и одного, и другого. А характеристики гибрида зависят от соотношения этих компонентов (рис. 6).

Поиски новых материалов для гетероструктур — чрезвычайно трудоемкая экспериментальная работа. Ведется она, разумеется, не вслепую, каждый новый результат анализируется с позиций тонкой теории полупроводников, из него извлекаются какие-то полезные выводы для следующих проб.

Исследование сложных трехкомпонентных растворов привело к парадоксальному, казалось бы, выводу: нужно еще больше усложнить систему, от трех веществ перейти к четырем. Работать с четырехкомпонентной системой, конечно, сложней, чем с трехкомпонентной, — резко возрастает число возможных комбинаций исходных веществ. Но одновременно и больше возможностей для согласования различных областей сложной гетероструктуры. Именно сделав трудный шаг к четырехкомпонентным твердым растворам и начав, по сути дела, новый раунд исканий, молодые физики в итоге добились успеха — созданные ими гетероструктуры дали лазерное излучение и сдвинулась, наконец, вверх сама частота излучения — удалось получить оранжевый лазерный луч и даже зеленый.

И еще один результат — о нем рассказывает Жорес Иванович Алферов:

— Работа, удостоенная премии Ленинского комсомола, не просто находится на передовых рубежах мировой науки, результаты работы на ряде участков далеко продвинулись за эти рубежи. Выполненные в условиях жесткой конкуренции с крупными научными центрами США и Японии, эти исследования дали нашей стране лидирующее положение в одной из важных областей физики и технологии полупроводниковых приборов. Хочется особо отметить, что методы исследований и технологические приемы были получены самими молодыми физиками, а не их старшими товарищами. И таким образом, важным результатом всей этой работы нужно, наверное, считать рождение четырех серьезных исследователей со своим научным почерком — исследователей, умеющих принимать самостоятельные решения и брать на себя ответственность за их результаты.