приоритетной датой на уровне обнаружения лазерного эффекта принято считать 13 сентября 1967 г.

7.2 Новые полупроводниковые материалы

После начала лазерной гонки, которая стартовала в 60-х годах прошлого столетия почти незаметно были разработаны светодиоды, которые так же были способны производить свет заданного спектра, но который при этом не обладал строгой когерентностью лазера. Благодаря этим разработкам сегодняшняя микроэлектроника включает такие функциональные приборы, как транзисторы и их конгломераты — интегральные микросхемы (состоящие из тысяч транзисторов) и микропроцессоры (включают в себя от нескольких десятков тысяч до десятков миллионов транзисторов). Что же касается оптоэлектроники (по сути своей

– отдельной ветви микроэлектроники), то еѐ подавляющую часть составили приборы, построенные на основе гетероструктур по созданию «технического» света, т.е. п/п лазеры и светодиоды. С использованием п/п лазеров связана новейшая история цифровой записи — от обычных CD-дисков до знаменитой сегодня технологии Blue Ray, которая основывается на использовании нитрида галлия (GaN).

Одним из наиболее часто встречающихся на сегодняшний день применением светодиодов является их использование вместо ламп накаливания и при изготовлении дисплеев мобильных телефонов и навигаторов.

СД или СИД, он же - светодиод, или светоизлучающий диод (LED - англ. Light-emitting diode) - это полупроводниковый прибор, излучающий некогерентный свет при прохождении через него электрического тока. Свет, излучаемый таким источников, лежит в узком диапазоне спектра, цветовые характеристики которого зависят от химического состава, применяемого в нем полупроводника.

Принято считать, что первый светодиод, излучающий в видимом диапазоне спектра, был изготовлен в 1962 г. в Университете Иллинойса группой, которой руководил Ник

81

Холоньяк. Такие диоды, сделанные из непрямозонных полупроводников (например, кремния, карбида кремния или германия), свет практически не излучали. Поэтому начали применяться такие соединения, как GaAs, lnAs, lnP, lnSb, которые являлись прямозонными полупроводниками. В то же время стоит отметить, что многие полупроводниковые материалы типа А3В5 образуют между собой непрерывный ряд твердых растворов – тройных и более сложных (AlxGa1-xN и lnxGa1-xN, GaAsxP1-x, Gaxln1-xP, Gaxln1-xAsyP1-y, и т. п.), на основе которых и было сформировано направление гетероструктурной микроэлектроники.

Сейчас, основная идея дальнейшего развития «технического света» заключена в создании новых материалов для светодиодной и лазерной техники. Эта задача напрямую зависит от одной из основных проблем, которая заключается в получении материалов соответствующих определенным требованиям, необходимым для применения в электронной структуре полупроводника. И главным из этих требований является формирование запрещенной зоны полупроводниковой матрицы, являющейся решением той или иной конкретной задачи, поставленной перед учѐными. Сейчас активно ведутся исследования таких сочетаний материалов, которые позволяют достигать заданных требований к форме и размерам запрещенной зоны (Запрещенная зона — термин, описывающий область значений энергии, которыми не может обладать электрон в идеальном (бездефектном) кристалле. Обычно характерными значениям ширины этой зоны в полупроводниках являются около 0,1–4 эВ. Примеси могут создать полосы в запрещенной зоне — возникает мультизона).

Чтобы получить представление о многосторонности этой работы достаточно взглянуть на график, на котором будет отображено многообразие «базовых» двойных соединений и возможности их сочетаний в композиционных гетероструктурах.

82

7.3 Будущее гетероструктур

Говоря о перспективах, стоит упомянуть оценку, которая отражает точку зрения Жореса Ивановича: в 21 веке гетероструктуры должны оставить только 1% для использования моноструктур. Это означает, что вся электроника рано или поздно перестанет использовать такие «простые» вещества, как кремний с чистотой 99,99—99,999%. Эти цифры отражают чистоту кремния, которая измеряется в девятках после запятой, но такой чистотой уже лет 50 как никого не удивить. Предполагается, по мнению Алферова, что развитие электроники, — это соединения из элементов A3B5, твердотельных растворов на их основе и эпитаксиальных слоев различных сочетаний этих элементов. Конечно, утверждения, что простые полупроводники типа Si не могут найти широкого применения, будут безосновательны, но все же тот факт, что сложные структуры дают значительно более гибкий ответ на запросы современности, является определяющим. Уже сейчас гетероструктуры решают проблему высокой плотности информации для оптических систем связи. Решением данной задачи является ОЕIС (optoelektronic integrated circuit) —

оптоэлектронная интегральная схема.

За основу любой микросхемы такого типа (оптопары, оптрона) берутся инфракрасный излучающий диод и оптически согласованный с ним приемник излучения, что позволяет получить необходимый простор формальной схемотехнике для широкого использования этих устройств в качестве приемопередатчиков передаваемых информационных сигналов.

Развитие, пожалуй, ключевого прибора современной оптоэлектроники (лазер на двойной гетероструктуре) продолжается и совершенствуется. И сегодня именно высокоэффективные быстродействующие светодиоды, основанные на технологии ДГС, продолжают обеспечивать поддержку технологии высокоскоростной передачи данных НSPD (High Speed Packet Data service).

Хотя стоит отметить, что в выводе Алфѐрова основная мысль уделена не этим разрозненным применениям, а общему

83

направлению, в котором будет происходить развитие технических решений XXI века — получение интегральных схем и материалов на основе структур, обладающих точно заданными, рассчитанными на много ходов вперед свойствами. Работа над формирование таких свойств ведется на уровне атомной структуры используемых материалов, определяемой поведением носителей заряда в том особом регулярном пространстве, которое представляет собой внутренность кристаллической решетки материала. Основное направление этой части деятельности — регулирование числа электронов и их квантовых переходов, т.е. по сути - ювелирная работа на уровне конструирования постоянной кристаллической решетки, величина которой может составлять нескольких ангстрем (ангстрем — 10-10 м, 1 нанометр = 10 ангстрем). Хотя стоит отметить, что сейчас развитие науки и техники — это уже не тот путь вглубь вещества, каким он представлялся в 60-е годы 20ого века. Сегодня, по большей части - это движение в противоположном направлении, в область наноразмеров. Как пример - создание нанообластей со свойствами квантовых проволок, где квантовые точки линейно связаны или же просто - квантовых точек.

Само собой, нанообъекты — этот одна из многих ступеней, которые проходят в своем развитии техника и наука, и маловероятно, что на нем они остановятся. Учитывая тот факт, что развитие науки и техники путь далеко не прямолинейный, можно с легкостью предположить о том, что если сегодня интересы исследователей сместились в сторону увеличения размеров (в нанообласть), то решения, принимаемые в будущем могут конкурировать в разных масштабах.

Как пример можно привести историю развития микрочипов: возникшие на кремниевых чипах ограничения по увеличению плотности элементов этих схем можно решить двумя путями. Один из вариантов — смена полупроводника. Реализацию данного метода предложено решить благодаря изготовлению гибридных микросхем, которые основываются на применении двух п/п материалов с различными характеристиками. Как наиболее перспективный вариант

84

называется использование нитрида галлия (GaN) совместно с кремниевой пластиной. С одной стороны, нитрид галлия отмечен как материал с уникальными электронными свойствами, позволяющими создавать высокоскоростные интегральные микросхемы, с другой — использование кремния как основного элемента делает такую технологию совместимой

сныне применяемым производственным оборудованием. Кроме этого, подход со стороны наноматериалов содержит еще более новаторскую идею электроники одного электрона — одноэлектроники.

Тут весь интерес в том, что дальнейшую миниатюризацию электроники (к примеру - размещение тысяч транзисторов на подложке одного микропроцессора) ограничивает пересечение электрических полей при движении потоков отрицательно заряженных частиц в расположенных рядом транзисторах. Эта же затея заключается в том, чтобы вместо потоков электронов использовать один-единственный электрон, который может двигаться в «индивидуальном» временном графике и поэтому не является поводом снижения скорости и создания напряженности помех.

Вэтом отношении одноэлектроника напоминает тот путь, который проходили исследователи п/п гетеролазеров. Группа Алфѐрова работала как раз над тем, чтобы найти материал, который обеспечит эффект лазерной генерации при температуре, близкой к комнатной, а не при температуре жидкого азота (около 195,75°). В тоже время, сверхпроводники,

скоторыми связаны самые главные надежды по передаче больших потоков электронов (силовых токов), пока не удалось «вытащить» из области столь низких температур. Притом, не только это является существенной причиной торможения возможности уменьшения потерь при передаче энергии на большие расстояния — хорошо известно, что перенаправление энергетических потоков по территории РФ в течение суток приводит к примерно 30%-ным потерям на «нагрев проводов», — отсутствие «комнатных» сверхпроводников ограничивает развитие хранения энергии в сверхпроводящих

кольцах, где в потенциале, перемещения токов могут

85

продолжаться практически вечно. Как идеал, представляется создание таких колец, для построения которых задействуются обычные атомы и где движение электронов вокруг ядра порой устойчиво при самых высоких температурах и может продолжаться неограниченно долгие отрезки времени.

Если смотреть в будущее, то перспектив развития наук о материалах весьма достаточно много. Причем стоит отметить, что именно с развитием науки о материалах появилась та реальная возможность прямого использования солнечной энергии, которой присваивают огромные перспективы в возобновляемой энергетике. Порой именно такие направления разработок определяют будущее лицо общества (в Татарии и Чувашии уже планируют «зеленую революцию» и всерьез занимаются разработкой биоэкоградов). Предполагается, что будущее такого направления заключается в том, чтобы от развития техники материалов перешагнуть к пониманию принципов функционирования самой природы, пойти по пути использования управляемого фотосинтеза, который мог бы стать столь же широко распространен в нашем обществе, как и в живой природе. Тут речь уже ведѐтся об элементарной ячейке живой природы — клетке, и это следующий, более высокий этап научного развития после электроники с ее идеологией создания приборов для выполнения какой-то одной функции — транзистора для управления током, светодиода или лазера для управления светом. Идеология клетки — это идеология операторов как элементарных устройств, осуществляющих некий цикл. Клетка является не отдельно изолированным элементом для выполнения какой-то определенной функции за счет энергии, подаваемой из вне, но целой системой по переработке доступной внешней энергии в работу поддержания циклов множества различных процессов под единой оболочкой. Работа такой клетки по поддержанию собственного гомеостазиса и накопления в ней энергии в виде АТФ — одна из самых завораживающих проблем современной науки. Пока биотехнологам остаѐтся лишь мечтать о создании устройства со свойствами одной клетки, которое бы было пригодно для использования в микроэлектронике. И когда наступит момент

86

апогея данной тематики, несомненно, начнется новая эра микроэлектроники — эра приближения к принципам работы живых организмов, о которой уже довольно долго грезят фантасты и почти также давно придуманной науки бионики, все еще не вышедшей из колыбели биофизики.

Будем надеяться, что создание научного центра инноваций в Сколково сумеет реализовать нечто подобное «эффекту спутника» — открыть новые прорывные области, создать новые материалы и технологии электроники.

Вопросы для самоконтроля

1.Когда была изобретена первая интегральная схема? Кем? Какие предпосылки способствовали изобретению интегральной схемы?

2.Когда был изобретен первый транзистор?

3.Назовите работы советских ученых середины 20 века, внесших вклад в развитие полупроводниковой электроники.

4.Когда Алферов создал первый полупроводниковый лазер на двойной гетероструктуре, работавший при комнатной температуре?

5.Перечислите преимущества двойной гетероструктуры.

6.Чем отличается излучение полупроводникового лазера и полупроводникового светодиода?

7.Когда Алферов получил Нобелевскую премию за создание полупроводникового лазера?

8.Перечислите перспективы развития полупроводниковой электроники.

87

Глава 8 Метаматериалы

Метаматериалами называют искусственно сконструированные среды, которые обладают новыми свойствами, не присущими природным метариалам. В первую очередь рассматриваются новые электродинамические свойства таких материалов, возможность излучить или задерживать электромагнитные волны. Метаматериалы – это строго упорядоченные структуры, состоящие из отдельных строительных ячеек, причем размер каждой ячейки должен быть меньше длины воны электромагнитного излучения.

8.1 Предшественники современных метаматериалов и их создатели

Концепция использования различных искусственных конструкций для манипулирования электромагнитными волнами родилась еще в 19 веке. В конце 19 века были уже созданы такие устройства для преобразования СВЧ – излучения, как параболический рефлектор, диэлектрическая линза, которая была известна, конечно, для оптического диапазона, СВЧ – поглотители, излучающая диафрагма, рупорная антенна. К созданию многих устройств, в том числе созданию прямоугольного волновода для СВЧ – излучени, приложил свою руку и лорд Релей.

Одним из забытых сейчас физиков, внесших значительный вклад в разработку искусственных сред для преобразования радиоволн, был сэр Джагадиш Чандра Боше — учѐный-энциклопедист из Бенгалии: физик, биолог, биофизик, ботаник, писатель и археолог. Боше был одним из основоположников исследований радио и микроволновой оптики, основал фонды экспериментальной науки на индийском субконтиненте. Его считают одним из создателей радио и отцом бенгальской научно-фантастической литературы. Им была осуществлена беспроводная передача сигналов и он был первым, кто использовал

88

полупроводниковые переходы для обнаружения радиосигналов. Однако, вместо получения коммерческой выгоды из этого изобретения, Боше опубликовал свои работы, чтобы позволить другим исследователям развивать эти идеи. Боше запатентовал одно из своих изобретений по просьбе своих коллег, хотя он не признавал любые формы патентования. Теперь, спустя многие годы после его смерти, вклад Боше в современную науку является общепризнанным.

8.2 Сергей Александрович Щелкунов

Сергей Александрович Щелкунов родился в г. Самара в 1897 году. Его отец Александр Александрович Щелкунов был надсмотрщиком Самарской почтово-телеграфной конторы. Мать Евдокия Леонтьевна Щелкунова — домохозяйка. После рождения сына вся семья переехала в город Оренбург, где Сергей окончил Оренбургское реальное училище. Он продолжил своѐ обучение в Московском Университете, который ему пришлось покинуть в марте 1917 года в связи с армейским призывом и направлением во 2-ю Одесскую школу подготовки прапорщиков пехоты. Во время беспорядков после Октябрьской революции и начавшейся Гражданской войны Щелкунов проехал через всю Сибирь и прибыл в Маньчжурию в начале 1918 года, там он провѐл следующие три года. Затем Сергей эмигрировал в Японию и оттуда в сентябре 1921 года в Сиэтл, США.

ВСША Щелкунов продолжил своѐ образование, получил

в1923 году степень бакалавра и магистра математики в Колледже штата Вашингтон. В 1928 году он получил степень Доктора философии (Ph.D.) в Колумбийском университете.

После получения степени бакалавра и магистра Щелкунов начал работать в исследовательском подразделении Western Electric, которое впоследствии стало знаменитой Bell Laboratories. В 1935 году Щелкунов вместе с коллегами обосновали возможность передачи телевизионного изображения

89

или до 200 телефонных разговоров с помощью нового для того времени коаксиального кабеля.

В течение 35 лет работы в Bell Labs Щелкунов занимался исследованием радаров, распространения электромагнитных волн в атмосфере и в микроволновых направляющих линиях, коротковолнового радио, широкополосных антенн и систем заземления.

Работая над своими инженерными проектами, в частности, над созданием антенн, Щелкунов рассмотрел взаимодействие электромагнитных волн СВЧ диапазона с так называемым разомкнутым кольцевым резонатором. Щелкунов описал магнитные свойства такого резонатора и вывел формулу, которая позволяет описать магнитный отклик разомкнутого резонатора и рассчитать магнитную проницаемость среды с такими искусственными включениями. Эта формула оказалась очень удачной. В модифицированном виде она используется современными учеными для расчета магнитной проницаемости метаматериалов, содержащих уже двойные разомкнутые резонаторы.

8.3 Виктор Георгиевич Веселаго

Виктор Георгиевич Веселаго — советский, российский физик. Основоположник научного направления по созданию материалов с отрицательным показателем преломления. В свое время Веселаго защитил дипломную работу у А. М. Прохорова в Физическом институте им. П. Н. Лебедева. В 1967 году, основываясь на работах Л. И. Мандельштама, описал ожидаемые свойства материалов с отрицательным показателем преломления (метаматериалов). Работал в ФИАНе под руководством Прохорова, профессор Московского физикотехнического института, с 1982 года и по сей день работает в Институте общей физики (ИОФАНе).

В 1967 Виктор Георгиевич первым предсказал возможность создания суперлинзы с отрицательным коэффициентом преломления. Эта идея была позже перенята английским физиком Пэндри, и первые «метаматериалы»,

90