Heterostruktury, které slouží všem

O "polovině" Nobelovy ceny za fyziku jste četli v předchozím článku, o zbývající polovinu se stejnou měrou dělí Žores I. Alfjorov a Herbert Kroemer. Získali ji za vyvinutí polovodičových heterostruktur používaných ve vysokofrekvenční elektronice a optoelektronice.

Za práce ve fyzice polovodičů se Nobelovy ceny neudělují často. Po ceně za objev tranzistorového jevu (W. B. Shockley, J. Bardeen a W. H. Brattain 1956) následovaly jen tři: Esakiho objev supermřížky (tunelové jevy – L. Esaki, I. Giaever a B. D. Josephson 1973), kvantový Hallův jev (Klaus von Klitzing 1985) a zlomkový kvantový Hallův jev (R. B. Laughlin, H. L. Störmer a Daniel C. Tsui 1998), viz Vesmír 78, 77, 1999/2. V těchto třech případech byly základem objevných prací experimenty na vzorcích založených na heterostrukturách (viz rámeček 2 ). Pozornost nobelovské komise se však upínala na samotné jevy a tvůrci vzorků, které byly pro experiment klíčové, oceněni nebyli, ať již šlo r. 1985 o Gerharda Dordu (německého badatele, který do konce šedesátých let působil v Česku, viz Vesmír 78, 77, 1999/2) nebo r. 1998 o Arthura Gossarda. To bylo striktně v  tradici Nobelových cen. Cena za rok 2000 je tedy výrazným zvratem. Oceněným výkonem je především samotné vyvinutí heterostruktur. Cenu pak dostávají jednak teoretický fyzik (H. Kroemer), jednak technolog přípravy heterostruktur (Ž. I. Alfjorov). 1 Výběr laureátů jistě nebyl jednoduchý. Heterostruktury dnes používané ve výzkumu i v aplikacích jsou výsledkem dlouhého vývoje, do nějž zasáhla řada badatelů. Určit skutečné autory prapůvodních nápadů nebylo snadné.

Na cestě k polovodičovému laseru

Teoretické studie o heterostrukturách v polovodičích (například od W. B. Shockleyho a A. I. Gubanova), které výsledky oceněné Nobelovou cenou předjímají, mají své kořeny již v třicátých letech. Teprve nová generace tetraedrických polovodičů s krystalovou stavbou podobnou diamantu však dovolila skutečný pokrok. V mikroelektronice převládl prvek křemík, ale nové materiály studované na konci padesátých let v několika světových laboratořích (také v Ústavu technické fyziky v Praze – J. Tauc, K. Šmirous, Z. Trousil) byly sloučeniny. Z nich je dnes nejznámější arsenid gallitý, GaAs.

Poprvé se setkáváme i s našimi lauráty. Herbert Kroemer r. 1957 publikuje teorii správně předvídající mimořádně vysokou účinnost injekce nositelů náboje v heterostruktuře ve srovnání s homogeními přechody. Ž. I. Alfjorov je ještě aspirantem a koncem padesátých let pobývá několik měsíců na své první zahraniční stáži v oddělení J. Tauce. Arsenid gallitý právě tak jako křemík vede elektrický proud díky přítomnosti nadbytečných elektronů (typ n) nebo díky "dírám", tedy elektronům chybějícím (typ p). Je tu však jeden rozdíl. Jestliže se v GaAs elektron a díra sblíží, hltavě se spojí (rekombinují) a vyzáří při tom kvantum světla. Objevuje se myšlenka, že by to mohlo vést k vytvoření polovodičového laseru. Začíná světový závod, v němž vítězí dvě americké skupiny, které r. 1962 téměř zároveň oznamují, že vyvinuly injekční laser na bázi GaAs (viz obrázek). Pokusy se opakují a obměňují na mnoha místech (v Praze T. Šimeček 1963), ale pokrok je jen malý. Lasery vyžadují nízké teploty, vysoké injekční proudy a degradují (samy se svou činností zničí) během sekund. Tím více úsilí, motivovaného vidinou optoelektronických aplikací, je do jejich zlepšení vkládáno.

Uprostřed této hyperaktivity jen dva muži zůstávají skeptičtí a neúspěchy laseru s jednoduchým p­n přechodem považují za neodstranitelné. Navrhují zásadně nové řešení: zavést do konstrukce polovodičových laserů dvojitou heterostrukturu (viz obrázek). Tuto ideu publikoval r. 1963 H. Kroemer a nezávisle na něm, možná i o chlup dříve, ale v "nepublikovaném" patentu Ž. I. Alfjorov. Návrhy to byly poměrně jednoduché, ale účinné. S důsledky jejich realizace se setkáváme úplně všichni a denně. Ve své době však zůstávaly po léta nepovšimnuty.

Nápad hodný Nobelovy ceny

Poměrně složité fyzikální principy činnosti polovodičových laserů byly doplněny o zdánlivě jednoduchý nápad: Pomocí heteropřechodů mezi různými polovodičovými materiály vytvořit potenciálové bariéry pro nositele náboje, a tím lokalizovat elektrony i díry. Tak by se výrazně zmenšila oblast, kde musí vzniknout inverze populace nositelů náboje (nutná podmínka pro činnost laserů). Zároveň v důsledku různých indexů lomu materiálů heterostruktury vznikne ve stejném místě účinný vlnovod pro záření (viz obrázek).

V případu vysokofrekvenčních polovodičových heterostrukturních součástek vedou zázraky nesmírně vysoké pohyblivosti nositelů náboje (v heterostrukturách víc než o dva řády vyšší oproti objemovým krystalům) k vyšší mezní modulační frekvenci než u křemíku. Vysokou pohyblivost elektronů umožňuje nejen lokalizace elektronů v heterostrukturní potenciálové jámě, ale i možnost prostorově oddělit legování.

Co bylo dál

Práce s injekčními lasery v homogenních materiálech v tichosti vyhasla r. 1965. Práce na heterostrukturních systémech závisela především na volbě vhodných komponent a na rozvoji kvalitní technologie pro epitaxní pěstování heterostruktur (viz rámeček 3 ). Iniciativu převzali M. B. Panish a I. Hayashi z Bellových laboratoří (o Kroemerově práci se dověděli až r. 1968). Velkým úsilím realizovali polovodičový laser s dvojitou heterostrukturou, který pracoval kontinuálně při pokojové teplotě. Výsledky oznámili v květnu 1970 téměř zároveň s Alfjorovem, který tak ještě jednou zasáhl zásadním způsobem do vývoje. Alfjorovovo sdělení bylo dokonce odesláno o několik týdnů dříve.

Komerčně použitelné polovodičové lasery s dostatečně dlouhou životností byly však už připraveny v jiných, lépe vybavených a aplikačněji zaměřených pracovištích. Dalšího pronikavého zlepšení parametrů laserů se dosáhlo oddělením oblasti, v níž dochází k inverzi populace nositelů náboje (elektronů a děr), od vlnovodu, v němž již generované fotony stimulují emisi dalších identických fotonů. Toto oddělení elektronů od fotonů umožňuje dále snížit budicí prahové proudy. Řešily se také problémy s životností laserů, jednak snížením proudového a teplotního zatížení součástek, hlavně však odstraněním defektů z aktivní oblasti. Toto už navrhli a řešili mnozí jiní, ale opět a opět pomocí heterostruktur. Jejich použití se explozivně rozšířilo a stalo se téměř synonymem moderní fyziky a technologie polovodičů.

Laureáti dnes

Žores Alfjorov dále řídí práce v mnoha dalších oblastech výzkumu a vývoje heterostrukturních polovodičových systémů, často se světovými prvenstvími. Badatelé z "jeho" Fyzikálně-technického ústavu ruské Akademie věd v Petrohradu, který je na "východní poměry" mimořádně dobře vybaven, jsou velmi kvalitně vyškoleni a bývají vítáni na dlouhodobé i trvalé pobyty na špičkových pracovištích celého světa.

Kontakty našeho pracoviště a spolupráce s ústavem v Petrohradu stále fungují, máme společné evropské projekty, NATO workshopy, mezinárodní konference, výměnné stáže a řadu společných publikací.

Herbert Kroemer v oboru heterostruktur dosud pracuje. S velkým zájmem jsme si přečetli jeho nedávnou práci o využití klasických supravodičů ve spojení s heterostrukturami, shodou okolností stejnými jako ty, které právě připravujeme a studujeme na našem pracovišti. ¹⁾

Ruský fenomén

Nobelova cena se do Ruska vrací po mnoha letech (naposledy P. Kapica 1978), a to do rukou nikoli teoretika, ale experimentátora, který dokázal úspěšně soutěžit s "high-tech" amerických laboratoří, i když cena je nejspíš udělena za teoretický koncept z roku 1963.

Je to jakési dodatečné zadostiučinění leningradské škole (soustředěné hlavně v FTI), dávnému rivalovi školy moskevské. Ta svou část Nobelovy ceny měla již od r. 1964, za teoretické studie a za realizaci prvních laserů (N. G. Basov, A. M. Prochorov a Ch. H. Townes). Prestiž spojená s touto cenou umožnila N. G. Basovovi a  A. M. Prochorovovi vybudovat velmi kvalitní pracoviště v Moskvě. V sedmdesátých letech jsme měli možnost tam pracovat. Dost silně jsme cítili rivalitu mezi těmito laboratořemi a Alfjorovovým Fyzikálně-technickým ústavem. Informace o tom, co se kde dělá, prosakovaly spíš prostřednictvím náhodných návštěvníků než přímou výměnou. Byl tu zásadní rozdíl. Polovodičová technologie byla odsunuta mimo Moskvu, hlavně do všelijakých "polozakrytých jaščiků" (sovětský termín pro poloutajovaná pracoviště). To, jak se ukázalo, byla chyba, neboť právě spojení technologie přípravy, experimentu a silných teoretických skupin v Alfjorovových laboratořích se ukázalo jako velmi plodné.

Částečný přehled využití heterostrukturních součástek

• Optoelektronika

  • Použitelné polovodičové lasery. Jsou nezbytné pro optické vláknové komunikace, optické paměti (tím se rozumí velkokapacitní počítačové paměti i CD přehrávače a vypalovače), laserové tiskárny, laserová ukazovátka, v medicíně pro diagnostiku a invazní i neinvazní terapie všeho druhu, dále pro nejrozmanitější vojenské a bezpečnostní využití – "inteligentní" zbraňové systémy, dálkoměry a zaměřovače i infračervené zabezpečovací systémy.

    Kromě dalšího rozvoje všech uvedených aplikací zároveň se zlepšováním laserových parametrů lze očekávat nové aplikační možnosti spojené s realizací laserů v ultrafialové oblasti (další zvýšení hustoty optického záznamu informace) anebo ve vzdálenější oblasti infračervené. (Půjde o přenosná laserová spektroskopická zařízení, například na měření koncentrace polutantů ve vzduchu.)

  • Elektroluminiscenční diody – LED (Light Emitting Diodes). Dnes jsou již skoro všude. Kromě bodových světelných indikátorů všech barev jsou k dispozici také displeje, i velkoplošné. Již několik let se používají třetí brzdová světla v autech, spolehlivější a provozně levnější světla na semaforech, brzy se začne rozšiřovat i bílé osvětlení atd. Je dost pravděpodobné, že žárovky i zářivky budou vytlačeny úspornějšími a spolehlivějšími elektroluminiscenčními polovodičovými heterostrukturními diodami. Významnou perspektivu mohou mít elektroluminiscenční diody ve velkoplošných obrazovkách.

  • Polovodičové detektory nejrůznějších typů záření jsou díky heterostrukturám účinnější, citlivější a vhodné pro větší rozpětí vlnových délek.

  • Sluneční fotovoltaické články. Zde asi (vzhledem k ceně a energetické náročnosti výroby) zůstane využití heterostrukturních součástek omezeno na speciální aplikace – v kosmu, kde rozhoduje "váha a životnost kilowatthodiny", nebo při použití koncentrátorů (čoček či zrcadel), kdy stačí, když aktivní heterostrukturní polovodič pokrývá pouze setinu až tisícinu osvětlené plochy. Rekordy v účinnosti konverze sluneční optické energie na elektrickou dosažené na systémech s heterostrukturami již dnes přesahují 30 %. Přesto však je cena energie ve srovnání s křemíkovými články vysoká (viz Vesmír 79, 672, 2000/12). Heterostruktura umožňuje lepší separaci elektronů a děr, snižuje povrchovou rekombinaci, příslušné materiály mají vzhledem k spektru slunečního záření vhodnou šířku zakázaného pásu a je možné vytvářet "sendvičové" struktury, které využívají větší část spektra.

• Elektronika

  • Vysokofrekvenční polovodičové heterostrukturní součástky, hlavně výkonové vysokofrekvenční tranzistory (HEMT – High Electron Mobility Tranzistor) s vysokou pohyblivostí elektronů, která je umožněna právě heterostrukturou, mají dnes ekonomicky největší využití. Pracují v mobilních telefonech, ve vysokofrekvenčních komunikačních technologiích, používají se pro satelitní navigaci atd.

  • Mikroprocesory na bázi heterostruktur se využívají pro počítače, ale zatím jen málo. V principu by měly být rychlejší, výkonnější a odolnější než podobné mikroprocesory na bázi křemíku. Jsou však drahé. Asi pouze "ekonomika" způsobila krach čtyř z pěti existujících "galliumarsenidových" počítačových firem.

• Nové aplikace

  • Normály odporu a kapacity. Heterostruktury, které jsou vhodné pro realizaci kvantového Hallova jevu, se používají v metrologii pro realizaci velmi přesných normálů, které jsou odvozeny pouze ze základních fyzikálních konstant.

  • Kvantové tečky jsou dalším případem moderního využití heterostruktur. V tomto případě jsou nositelé náboje uzavřeni nejen v ploše, jak je tomu u vrstevnatých heterostruktur. Zde jsou omezeni ve všech třech dimenzích, což vede k zlepšení řady parametrů. Dnes mají polovodičové lasery s kvantovými tečkami rekordní parametry a patrně se brzy dočkáme jejich výroby.

  • Kaskádové polovodičové lasery. V nich jsou generovány fotony při přeskoku elektronů mezi energetickými subpásy, nikoliv mezi vodivostním a valenčním pásem. Existují již od r. 1994, ale do výroby přicházejí teprve letos, neboť mají mimořádně složitou strukturu s neobyčejně vysokými požadavky na přesnost tloušťky a složení jednotlivých vrstev. Jde patrně o nejkomplikovanější průmyslově vyráběnou součástku – skládá se z více než tisíce vrstev. Lasery emitují ve střední infračervené oblasti a průchod jednoho elektronu strukturou generuje mnoho fotonů.