М.В.Энтин

Нобелевская премия по физике 2000 г. присуждена трем физикам: академику Жоресу Ивановичу Алферову, директору Санкт-Петербургского физико-технического института им. А.Ф.Иоффе, и американским ученым Герберту Крэмеру из Калифорнийского Университета в Санта Барбаре и Джеку Колби из фирмы Тексас Инструментс. Эта самая престижная научная премия дана за исследования в области физики полупроводников и полупроводниковой технологии.

Главными достижениями первых двух физиков считаются предложение и создание полупроводниковых приборов, основанных на применении полупроводниковых гетероструктур. Гетероструктура представляет из себя многослойный "бутерброд" из "состыкованных" вместе полупроводников разного состава, в котором каждый слой имеет свою ширину запрещенной зоны и положение потолка валентной зоны и дна зоны проводимости.

Одним из ярких применений полупроводниковых гетеропереходов является полупроводниковый лазер или лазерный диод. Именно такой лазер был предложен независимо в 1963 г. в авторском свидетельстве ленинградских физиков Ж.И.Алферова и Р.Ф.Казаринова (живущего сейчас в США) и в работе Г.Крэмера. В принципе, лазер на основе излучающего диода предлагался и значительно раньше, в частности, в 1953 году знаменитым математиком Джоном фон Нейманом, в 1959 году советскими физиками Н.Г.Басовым (в последствие Нобелевским лауреатом), Б.М.Вулом и Ю.М.Поповым независимо друг от друга. Такой лазер впервые был реализован разными группами физиков в СССР и США в 1962 г. Однако индуцированное излучение света, которое отличает работу лазера от других светоизлучателей, в таких диодах было едва выражено.

Полупроводниковый лазер - это полупроводниковый диод, включенный в прямом направлении. Барьер между p и n областями понижен почти до нуля. В результате электроны интенсивно диффундируют в p область, а дырки - в n область, что может привести к созданию инверсной заселенности, то есть ситуации, когда нижние энергетические состояния (дырочные) пустые, а верхние (электронные) - заполнены. Часть электронов рекомбинирует с дырками без излучения света, что подавляет инверсию и делает сложным получение вынужденного излучения. Рабочая область лазера на гетеропереходе является ямой как для электронов, так и для дырок, что позволяет собрать в одном месте электроны и дырки и усилить инверсию.

Впервые лазеры на гетеропереходах были реализованы в 1969 году в работах группы ленинградских физиков из Физико-технического института и американских физиков Крессела, Нельсона, Хаяси и Паниша. Именно на основе гетеропереходов создаются современные полупроводниковые лазеры. Они широко применяются в CD плейерах, лазерных указках, CD ROM.

Но, помимо лазеров, гораздо большее значение имеют гетероструктуры для физики низкоразмерных систем. Область с малой шириной запрещенной зоны ограничивает движение электронов в поперечном направлении и, при достаточно малой толщине, движение электронов в этом направлении квантуется. В результате электроны живут как бы в "двумерном" мире. Свойства такого мира отличаются от трехмерного, что приводит к громадному разнообразию новых физических явлений. Эти системы послужили основой для создания быстродействующих элементов электронной техники. Без них не могут существовать ни мобильные телефоны, ни спутниковые антенны, ни компьютеры.

Историю создания первых полупроводниковых лазеров на гетероструктуре можно найти в книге:
Х.Кейси, М. Паниш "Лазеры на гетероструктурах", М., Мир, 1981.