Поэтому плоскостные диоды и триоды применяются для обработки и усиления низкочастотных сигналов, а точечные, называемые также кристаллическими детекторами, для детектирования слабых сигналов высоких и сверхвысоких частот.
Область применения полупроводников не ограничивалась радиотехникой. Еще в 1932 г. А.Ф. Иоффе создал из закиси меди, а затем из селена фотоэлементы, вырабатывавшие при их освещении электрический ток без помощи внешних источников энергии. Однако их КПД при использовании солнечной энергии не превышал 0,05–0,1%. Но уже перед Великой Отечественной войной в СССР были созданы фотоэлементы из сернистого таллия и сернистого серебра с КПД до 1%.
В 1954 г. был создан кремниевый фотоэлемент. В этом же году впервые была построена солнечная батарея, состоявшая из большого числа кремниевых фотоэлементов. В начале 1955 г. были созданы фотоэлементы с КПД до 6%. Современные фотоэлементы имеют КПД до 20% и выше.
Располагая полупроводниковый диод рядом с радиоактивным материалом, получают атомную батарею, которая может вырабатывать электрическую энергию на протяжении многих лет.
На основе полупроводников были созданы фотодиоды. В сочетании с электрическими счетчиками они ведут учет движущихся объектов – от производимых деталей до пассажиров в метро. Приборы, созданные с применением фотодиодов, могут определять бракованные изделия на конвейере и выключать оборудование, если в его опасную зону попадают руки рабочих.
Создание приборов на основе полупроводников произвело в середине XX в. техническую революцию. Дальнейшее их развитие привело к созданию интегральных микросхем, появлению новых поколений электронно-вычислительных машин и персональных компьютеров. Сейчас ни одна область науки и техники не обходится без их применения.
Уважаемые коллеги! В последнее время у нас в стране и во всем мире очень большое внимание уделяется вопросам нанотехнологии, наноструктур, нанофизики, нанохимиии и даже, как говорят, нанонауки. Я думаю, что все работы, которые ведутся в области наноструктур, а также развитие этих исследований связаны, прежде всего, с тем, что переход к очень малым размерам способствует возникновению целого ряда совершенно новых физических явлений, которые, в свою очередь, влекут за собой очень важные физические и технологические изменения. В физике полупроводников этот процесс, возможно, начался даже раньше, чем в других областях.
Можно сказать, что развитие полупроводниковой электроники на основе кремниевых интегральных схем с физической точки зрения, – это, по сути, то же, что было сделано в конце 40-х – начале 50-х гг.: поскольку основой является полевой и биполярный транзистор, и все главные физические явления – это те, что были изучены и исследованы уже тогда. Вместе с тем, произошли гигантские, драматические изменения, и связаны они с уменьшением размеров, а также с выполняющимся до сих пор законом Мура. Тем не менее, технология и техника литографии подошла сегодня к главному топологическому размеру интегральных схем, исчисляемому 45–60 нанометрами. Поэтому уже много лет говорится о том, что наступят принципиальные изменения, когда дальнейшее уменьшение топологического размера станет невозможным.
Но на самом деле процесс по-прежнему идет. Но я хотел бы остановиться на другом чрезвычайно важном направлении в развитии современной полупроводниковой электроники и физики. Это направление, связанное с использованием полупроводниковых гетероструктур, которые, кстати сказать, сегодня очень активно используются и в решении проблем кремниевых интегральных схем ультрамалых размеров, особенно что касается решения принципиальной проблемы мест соединений. В области физики полупроводниковых гетероструктур нанотехнология и основные физические явления, связанные с появлением малых размеров, а также принципиально новых свойств, были открыты более трех десятков лет назад.
Один из наших коллег, замечательный японский физик Лио Исаки внес в развитие этой области физики огромный конкретный вклад. Стоит заметить, что так называемые полупроводниковые сверхрешетки впервые были предложены в 62 г. (первая публикация в этой области принадлежит Л.В. Келдышу: к сожалению, он представил практически неэффективный способ получения сверхрешеток путем приложения сильных ультразвуковых полей к поверхности кристаллов). В 70 г. Лио Исаки создавал первые полупроводниковые решетки, используя уже полупроводниковые гетероструктуры. Японский ученый дал, с моей точки зрения, блестящее определение, которое, я думаю, чрезвычайно четко отражает сущность использования нанотехнологии, наноструктур в целом: он сказал о полупроводниковых гетероструктурах, что это «man made crystals», в отличие от «God made crystals».То есть это кристаллы, сделанные человеком, в отличие от кристаллов, сделанных Богом, ибо любые искусственные кристаллы, получаемые в лаборатории, – это, в конечном счете, и германий, и кремний, и полупроводниковые соединения А3Б5, А2Б6, и многие другие. Это кристаллы, сделанные Богом, потому что независимо от того, получены ли они в лаборатории, получены ли они в природе, – их свойства определены.
Что касается полупроводниковых гетероструктур: когда вы, в том числе и на очень малых размерах, меняете химические свойства, состав, а также принципиально меняете массу свойств, включая и энергетический спектр электронов, вы создаете материалы, которых в природе не существует, которые Бог – по тем или иным причинам – не догадался создать. И в этих кристаллах, в этих материалах вы принципиально получаете совершенно новые свойства. Это стало, вообще говоря, реальностью уже в самом конце 70-х и даже в конце 60-х гг., когда были получены первые идеальные гетероструктуры арсенид галлия и арсенид алюминия в нашей лаборатории – и это направление стало бурно развиваться.
Но потом, я думаю, произошла чрезвычайно важная вещь: когда мы в этих размерах при исследованиях полупроводниковых гетероструктур подошли к размерам, сравнимым с длиной волны электрона, тогда появилась масса новых свойств. Квантово-размерные явления стали определять свойства этих, сделанных человеком, кристаллов. И стало возможным существование тех кристаллов, которые получили название «квантовые ямы», «квантовые проволоки», а в последние десятилетия – «квантовые точки». Возникла новая физика низкоразмерных электронных систем, включая квантовые точки нуль-размерных электронных систем.
Я хотел бы подчеркнуть, что практически все достижения физики полупроводников, которые имеют отношение к развитию наноструктур ультрамалых размеров, связаны, прежде всего, с развитием технологии. Я думаю, что это чрезвычайно важно для всего понимания развития микроэлектроники, электронных технологий, информационных технологий в целом во второй половине XX в. Развитие физических исследований стало возможным по-настоящему только после того, как технология получения полупроводниковых кристаллов и материалов вышла на совершенно другой уровень.
Поскольку я вырос в Физико-техническом институте им. А.И. Иоффе, где проведение систематических полупроводниковых исследований было начато в конце 20-х – начале 30-х гг., я прекрасно знаю, как в самом начале 50-х гг. относились к нам, «полупроводниковцам», физики-ядерщики, представители других направлений. Я помню, как Анатолий Петрович Александров, когда он просил меня сделать полупроводниковое устройство для первой советской атомной лодки, говорил: «Жорес, а они работать-то будут?» Ведь считалось, что это полупроводниковая «кухня» и один образец может сильно отличаться от другого.
Ситуация кардинально изменилась после открытия транзисторов и развития германиевой и кремниевой технологии. И уже совершенно иной она была тогда, когда мы развивали исследования в области физики полупроводниковых гетероструктур. Практически все, в том числе и крупнейшие физические достижения, связаны с развитием технологии.
Если говорить о развитии нанотехнологии в этой области, то она связана, прежде всего, с разработкой трех методов эпитаксиального выращивания полупроводниковых структур. Это первый, сравнительно дешевый способ, с помощью которого удалось достичь основных принципиальных результатов, в том числе получить наноструктуры с размерами слоев, исчисляемых единицами нанометров. Это технология так называемой жидкостной эпитаксии, кристаллизации полупроводниковых структур из растворов расплавов. Химический состав растворов расплавов задается очень просто, а процесс кристаллизации является по-настоящему деликатным процессом, в котором при очень точной регулировке температур, с использованием, в том числе, и неравновесных термодинамических процессов, удавалось получать структуры с такими размерами слоев.
Но конечно, будущее связано с двумя технологическими методами. Во-первых, метода молекулярной эпитаксии, в развитие которого много было вложено и Новосибирским институтом физики полупроводников. И этот институт по сей день является одним из мощных центров развития этой технологии, признанных в мире, а также технологии, ставшей основой промышленного производства очень многих приборов, систем, массового производства светодиодов (скажем, масштабы светодиодов сегодня, в том числе и для освещения, определяются уже размерами продаж, приближающимися к 10 млрд долларов). Мощная ветвь полупроводниковой индустрии, которая будет расти все дальше и дальше и сыграет, по оценкам экспертов, к 2030 г. важную роль в смене примерно 50% освещения на лампах на светодиодах, на наноструктурах, на наногетероструктурах и сэкономит примерно 10% электроэнергии в мире. Основа этого – солнечные батареи на гетероструктурах; и уже подсчитано, что к 2030 г. суммарная мощность наземных электрических станций составит около 200 гигаватт, что заметно превышает суммарную мощность электростанций России на сегодняшний день. И здесь существенную роль играет опять же технология мосгидридной эпитаксии, и этот метод стал основой индустриального производства очень многих материалов.