В наше время - время быстрого научно-технического прогресса новые отрасли науки мужают чрезвычайно быстро. По сравнению с совсем молодыми научными направлениями - кибернетикой, бионикой, квантовой радиофизикой и многими другими - физика полупроводников представляется наукой с весьма солидным трудовым стажем. В то же время, в абсолютном исчислении времени, она еще очень молода. Самая первая в мире монография под названием «Электронные полупроводники», объемом всего в 92 страницы, была издана академиком А.Ф.Иоффе в 1933 году. Первая самостоятельная в организационном отношении лаборатория полупроводников была создана им же в 1952 году, а в 1954 году преобразована в Институт полупроводников Академии наук СССР.

Все эти даты, даже с точки зрения совсем молодых людей, воспринимаются не столь уж отдаленными. И в то же время, трудно себе представить современную технику без полупроводниковых устройств и систем. Очень многие технические достижения, определяющие современный уровень цивилизации, в той или в иной мере связаны с использованием полупроводников, а прогресс целого ряда технических наук, таких, как кибернетика, вычислительная техника, космонавтика, был бы, видимо, и невозможен без полупроводников. Физика полупроводников развивалась параллельно, а чаще даже и с заметным отставанием по отношению к развитию своей дочерней науки - полупроводниковой электроники. Этим в значительной мере определялась резкая неравномерность в развития полупроводниковой электроники. Последняя каждый раз делала качественный скачок, как только физике полупроводников удавалось ее догнать и хотя бы в какой-то мере разрешить те принципиальные научные проблемы, которые сдерживали дальнейшее развитие полупроводниковой электроники. Это не значит, конечно, что на пути развития полупроводниковой электроники не вставали чисто технологические трудности, однако, как правило, для их разрешения или обхода вмешательство физики полупроводников было тоже необходимо.

С позиций наших нынешних знаний и опыта нетрудно понять причины почти систематического отставания физики полупроводников от чрезвычайно быстрого роста запросов к ней со стороны полупроводниковой электроники. Этот анализ тем более важен, что, как мы увидим в дальнейшем, практически то же положение сохраняется и сейчас. Таких причин по сути дела две. Первая заключается в том, что продукция полупроводниковой электроники всегда оказывалась столь важной для технического прогресса, что приходилось ее выпускать, хотя технология ее изготовления, а зачастую даже и особенности ее работы были далеко не ясны в деталях. Но до выяснения ли этих деталей было, например, в сороковых годах, когда без полупроводниковых детекторов сверхвысоких частот не могли работать радиолокаторы? Или в пятидесятых годах, когда появление транзисторов позволяло на порядки уменьшить габариты, вес и расход энергии питания радиоаппаратуры? При этом даже когда впоследствии выяснились существенные недостатки полупроводниковых приборов, поначалу представлялось, что они могут быть преодолены некоторыми усовершенствованиями конструкции или технологии, но не потребуют серьезных физических исследований. А когда, наконец, разработчики полупроводниковых убеждались в необходимости таких исследований, оказывалось, что физика полупроводников не готова к ним, поскольку не имеет необходимой для этого материальной базы.

И вот тут, в совершенно явном виде выступает вторая причина отставания физики полупроводников. Она заключается в недооценке того обстоятельства, что проблема полупроводников является очень «дорогой» проблемой. Она: дает большие проценты на вложенный в нее капитал.

Для современных полупроводниковых лабораторий совершенно необходимы: сверхнизкие температуры, сильные магнитные поля, сверхвысокий вакуум, различные излучения от самых жестких до далекого инфракрасного, потоки электронов и ионов разных анергий, самые изощренные методы оптической спектроскопии, радиоспектроскопия, масс-спектроскопия, рентгеновские и электронно-микроскопические методы дефектоскопии, техника ультразвука и техника сверхвысоких частот и многое другое. При этом большинство названных методов используется на пределе их возможностей, так как необходимо почувствовать примеси порядка миллионных долей процента и менее, поверхностные загрязнения в тысячные доли моноатомного слоя, изменения структуры и свойств переходных слоев толщиной менее микрона и т.п.

Еще сложней дела обстоят в исследовании физических основ микроэлектроники, на которых специализируется полупроводниковая часть нашего института. Поскольку сам термин «микроэлектроника» не имеет пока еще вполне однозначного определения, начнем с пояснения того содержания, которое мы в него вкладываем. Под полупроводниковой микроэлектроникой следует, как нам представляется, понимать научно-техническое направление, разрабатывающее физические идеи и методы создания высоконадежных элементов, блоков и целых электронных систем в микроисполнении, способных выполнять определенные счетные, логические или управляющие функции. Упоминание о микроисполнении этих устройств имеет вполне определенный смысл. Оно не только и даже не столько подчеркивает малые их размеры, сколько указывает на новый принцип их построения, отличный от путей обычной электроники. Если последняя конструирует свои схемы из отдельных деталей: сопротивлений, конденсаторов, индуктивностей и активных элементов - электронных ламп или транзисторов, то микроэлектроника в основном должна идти другим путем. Используя какое-либо новое явление, например, возникновение нестабильностей при прохождении тока через полупроводник; она создает блоки генераторов электромагнитных колебаний, которые вообще не делятся на детали, поскольку такой блок в простейшем случае представляет собой кусочек полупроводника с двумя контактами к нему. В этом смысле определение микроэлектроники включает в себя и понятие функциональной электроники, основой которого является неделимость устройства на обычные детали электроники. Очевидно, что значения физики полупроводников для микроэлектроники много больше, чем для обычной полупроводниковой электроники. В то же время и трудности, встающие при решении задач физических основ микроэлектроники, более фундаментальны.

Начнем с того, что уже отработанные в известной мере (хотя далеко и не полностью) методы получения совершенных кристаллов полупроводников оказываются малопригодными для микроэлектроники. Действительно, нужные для ее целей слои и пленки толщиной в несколько микрон трудно отрезать от массивного кристалла, а если, идя на колоссальные потери материала, это даже и можно сделать, то такой слой надо на что-то прикрепить. В связи с этим первостепенной задачей современного этапа микроэлектроники является разработка новых методов получения тонких слоев полупроводников на неких подложках, желательно диэлектрических. В институте есть определенные успехи в этом направлении, причем интересно отметить, что в ряде случаев, новыми методами удается выращивать слои полупроводников более чистые и «свершенные, чем массивные монокристаллы, полученные традиционными методами выращивания из расплава. Так в институте получены слои германия с содержанием остаточных примесей менее стомиллионной доли процента, очень чистые слои арсенида галлия, слои германия и кремния на изолирующих подложках.

Следующая группа задач состоит в исследовании свойств тонких слоев: Наряду с чисто измерительными трудностями, с которыми тоже приходится считаться, когда речь идет об особо тонких слоях основную трудность представляет теоретическое осмысливание результатов измерений. Сейчас все шире начинает распространяться представление, что тонкие слой и пленки представляют собой специфическое состояние вещества, в ряде отношений почти столь же отличное от массивного кристалла, как твердое тело отлично от жидкости того же химического состава. Исследованиями последних лет выяснено, например, что взаимное расположение верхних слоев атомов или ионов кристалла существенно отличается от их расположения в объеме, а степень симметрии и вид элементарной; ячейки поверхностной структуры резко отличны от объемных. Существование так называемых поверхностных состояний для электронов и процессов рассеяния электронов от поверхности приводит к тому, что удельная электропроводность тонких слоев при прочих равных условиях может отличаться от удельной электропроводности массивных кристаллов на много порядков величины. При особо малых толщинах, сравнимых с дебройлевской длиной волны электрона, проявляются квантовые эффекты, когда электропроводность начинает то возрастать, то уменьшаться при монотонном уменьшении толщины. Короче говоря, все электрические, оптические, тепловые и другие свойства полупроводников начинают зависеть, кроме всего прочего, еще и от толщины слоя полупроводника. Изучение этих зависимостей представляет особый интерес для микроэлектроники, но легко понять, что их установление является делом чрезвычайно трудным.

Как уже отмечалось, изучение электронных процессов в самих слоях полупроводников дали уже определенные выходы в микроэлектронику. Однако одно из основных направлений современной микроэлектроники связано с изучением свойств различных структур, в том числе и так называемых МДП-структур, представляющих собой комбинацию тонких слоев металла (М), диэлектрика (Д) и полупроводника (П). Такие структуры на основе: кремния уже довольно давно исследуются у нас и за рубежом. Показано, что на их основе могут быть созданы весьма перспективные элементы и блоки самого различного назначения. Основным препятствием для их практического применения является недостаточная изученность границы раздела между полупроводником и диэлектриком, вследствие чего ее свойства оказываются плохо управляемыми и недостаточно стабильными. Сложность этой проблемы заключается в том, что основные: свойства этой границы определяются строением нескольких моноатомных слоев, на протяжении которых структура монокристалла полупроводника переходит в структуру слоя диэлектрика. В то же время, ее свойства зависят, например, от рельефа поверхности самого полупроводника, который должен быть минимальным и, во всяком случае, превышать сотых долей микрона. Зависят они и от толщины и структуры слоя диэлектрика, который не может быть слишком тонким, т.к. иначе он не сможет защитить границу от внешних условий и т.д. Хотя наш институт и называется Институтом физики полупроводников, исторически так получилось, что в его стенах разрабатывается еще одна научная проблема, к полупроводникам отношения не имеющая. Речь идет о газовых оптических генераторах (лазерах), исследования которых составляют важный раздел современной квантовой радиофизики. Еще до создания института, в 1962 г., группа научных сотрудников Сибирского отделения, вошедшая впоследствии в наш институт, зажгла второй в СССР газовый лазер. Исследования по квантовой радиофизике в институте проводились и проводятся сейчас в различных направлениях, в том числе по нелинейной оптике, твердотельным квантовым генераторам и др. Однако основным стержнем работ стало в настоящее время изучение газовых квантовых генераторов. Газовые квантовые генераторы (в дальнейшем ради краткости будем называть их ГКГ) замечательны во многих отношениях, но особое внимание привлекает исключительная монохроматичность их излучения. Уже сейчас ясно, что создание источников света с высокой степенью монохроматичности позволило бы решить ряд фундаментальных проблем физики и многие важные задачи современной техники. Отметим некоторые из них. Известно, что в настоящее время эталоном длины является длина волны одной из линий излучения криптона. Относительная стабильность этого эталона, обусловленная конечной величиной ширины линии, чуть лучше, чем 107. Это означает, в частности, что абсолютное измерение длины не может претендовать в настоящее время на относительную ошибку, меньшую 10-7, каков бы ни был метод измерения. Если, например, измеряется расстояние в 10 км, то абсолютная погрешность его измерения не может быть меньше 1 мм. А между тем, существует большой круг геодезических и геофизических задач, где крайне необходима значительно более высокая точность. Таким образом, желание «улучшить» эталон длины отнюдь не связано с абстрактным стремлением к совершенству, но диктуется насущными задачами техники измерений. Газовые квантовые генераторы, несомненно, помогут решить проблему эталона длины. Во многих случаях положение оказывается еще хуже, чем это следует из только что сказанного. Дело в том, что конкретные геодезические измерения зачастую проводятся оптическими методами, в которых непосредственно измеряется время распространения света на нужном расстоянии. Само же расстояние получается умножением измеренного времени на скорость света. Но скорость света известна лишь с относительной ошибкой 10-6. Следовательно, весьма актуальным является измерение скорости света со значительно более высокой точностью. Разумеется, более точное знание скорости света желательно не только с точки зрения геодезии. Скорость света является фундаментальной величиной, играющей важную роль в космогонии, ядерной физике, теории относительности и т. д.

Чтобы не возвращаться к этому вопросу, уместно отметить, что в нашем Институте предложен новый способ измерения скорости света, основанный на некоторых свойствах ГКГ. Потенциальные возможности этого метола намного лучше, чем существующая точность, с которой известна скорость света, и ограничены, по существу, лишь стабильностью эталонов длины и времени. Наряду с указанными другими фундаментальными проблемами, существует много более «близких» конкретных задач, которые можно решить с помощью ГКГ. Когерентость излучения ГКГ позволяет, например, более полно моделировать излучение радиоантенные свойства радиоволн, рассеянных разного рода объектами.

Можно было бы много говорить о применении ГКГ в целом ряде других областей (аэродинамики системах связи, физике плазмы, квантовой электроники, спектроскопии, химия и т.д.). Однако вышесказанного достаточно для иллюстрации роли ГКГ в современной и будущей науке и технике.

В чем же состоит, с изложенной точки зрения, основная задача сегодняшнего дня? Ответ, НА ПЕРВЫЙ взгляд, очень прост - нужно сделать контрольные ГКГ с высокомонохроматическим изображением. Но сделать такие ГКГ отнюдь не просто. Улучшение «добротности» излучения даже в 1000 раз представляет собою сложную научно- техническую проблему, на пути решения которой возникают трудности исключительные. А предстоит нам с уровня 107-108 шагнуть до уровня 1010. Поэтому проблема в целом естественным образом расчленяется на несколько этапов, и в нам время речь идет о разработке ГКГ с относительной стабильностью частоты излучения около 1010. Над этой проблемой работают в научных организациях Советского Союза, в том числе, в колыбели квантовой радиофизики - в Физическом институте.