Создание светодиодов и лазеров: вклад российских ученых
Создание светодиодов и
лазеров: вклад российских ученых
Носов Юрий Романович - доктор
технических наук, ОАО НПП "Сапфир"
Фантастический физико-технологический прорыв конца
ушедшего века вызвал к жизни новую светодиодно-лазерную революцию, она ведет не
просто к "дальнейшему техническому прогрессу", но кардинально
преобразует саму среду обитания человека, ее световую, информационную,
культурологическую составляющие. "Полупроводниковый свет" - это
десятки ежегодных конференций, множество открытий, за которыми не успевают даже
специалисты, все новые сферы применения. Это также огромные транснациональные
корпорации почти с двукратным ежегодным ростом объемов производства, т.е. с 1000-кратным
за 10 лет! А начиналось все лишь восемь десятилетий тому назад, первые страницы
этой истории читаются сегодня как увлекательнейший триллер, активными
действующими лицами были и многие наши соотечественники. Кто-то оказался на
вершине признания, другим повезло меньше - история не всегда справедлива даже
по отношению к достойнейшим.
I
Началось с обнаружения свечения полупроводников,
которое порой было столь слабым, что его приходилось рассматривать в микроскоп.
В 1922 г. в Нижегородской радиолаборатории (НРЛ), тогдашнем единственном
радиотехническом институте страны, О.В. Лосев [1] занялся исследованием
кристаллических детекторов [2]. Восемнадцатилетний радиолюбитель, только что
окончивший школу, попытался обнаружить у этих приборов способность усиливать и
генерировать радиоволны, полагая, что такими свойствами должны обладать все
элементы с нелинейным сопротивлением, хотя любому специалисту известно, что для
этого элемент должен иметь отрицательное сопротивление. Лосев об этом не знал,
начал экспериментировать и... обнаружил искомое [3]. Оказалось (это выявили в
1950-е гг.), что "механизм усиления" как бы вкраплен в некоторые
природные кристаллы, оставалось лишь нащупать иголочкой активные точки. На
основе этого открытия в НРЛ начали изготавливать радиоприемники и передатчики
без радиоламп - это стало мировой сенсацией: брошюры о кристадине [4] появились
в Европе и США. Восхищаясь оригинальностью изобретения, публикаторы удивлялись
непрактичности "профессора Лосева" [5], он вразрез с традициями западного
мира не запатентовал это свое изобретение, сделав его бесплатным достоянием
всех радиолюбителей.
В тех первых своих экспериментах Лосев заметил и
свечение из-под иглы, но не придал этому особенного значения - какая-то
микроскопическая вольтова дуга, по-видимому, так и должно быть, ничего
особенного. Но в подсознании это осталось. В 1927 г. он уже специально занялся
свечением и установил, что это "холодное" свечение кристалла, ни дуга
ни разогрев не имеют к эффекту отношения, все определяется квантовыми
процессами внутри кристалла - самоучка постепенно становился профессиональным
физиком.
Мир признал и это открытие Лосева, мир - но не родина.
Здесь его фактически не заметили. Правда, тогдашний глава отечественной
полупроводниковой школы, директор Ленинградского физико-технического института
А.Ф. Иоффе взял Лосева под свое покровительство, но к пользе исследований
свечения это не привело. Дело в том, что интересы академика были связаны почти
исключительно с полупроводниковыми термопреобразователями и фотоэлементами [6],
возможно, именно к этой тематике он намеревался приобщить и Лосева. Лосев,
индивидуалист, как многие крупные личности, до конца оставался одиночкой, все
его публикации без соавторов. В статьях ленинградского периода он неизменно
выражал благодарность академику, а тот добился присуждения Лосеву степени
кандидата физико-математических наук без защиты и без вузовского диплома,
представлял его сообщения в "Доклады" Академии наук. Но Лосев,
фактически работавший в Физтехе и сблизившийся с его молодой порослью (он
подружился с В.П. Жузе), так и не был введен в штат и, когда грянула война, не
был включен в список эвакуируемых сотрудников [7].
Житейская судьба Лосева не была счастливой [8]. В
Нижнем он начинал рассыльным и первое время ночевал прямо на предчердачной
площадке в здании Радиолаборатории; когда в период кристадина стали приходить
письма с обращением "Dear professor", он все еще не каждый день был
сыт [9]; в 1928 г. после закрытия НРЛ он, как и другие ее сотрудники, оказался
в Ленинграде, но постоянного места работы у него не было, всюду на птичьих
правах; перед войной стал ассистентом на кафедре физики Мединститута и в первую
страшную блокадную зиму 22 января 1942 г. скончался от истощения на 39-м году
жизни. Место захоронения Олега Владимировича Лосева неизвестно.
Открытия, как поэмы и симфонии, живут самостоятельно,
независимо от судеб их авторов. Рождение "свечения Лосева" пришлось
на счастливую для отечественной физики пору: провозглашение "массового
похода революционной молодежи в науку" подкреплялось материальными
вложениями и значительностью задач, то было время, когда юные гении Г.А. Гамов,
К.Д. Синельников, Л.Д. Ландау могли беспрепятственно ехать на стажировку к Бору
и Резерфорду, а публикации в западных журналах были нормой [10]. Уже с 1930 г.
лосевские статьи по свечению цитируются педантичными немцами, и к середине
1930-х гг. понятие "Lossev Licht" становится на Западе ходовым. А
дальше - тишина на долгие 15 лет. Полупроводниковая наука и технология
пребывали в зачаточном состоянии, для применения "свечения Лосева" не
было объективных условий. На талантливую молодежь начал воздействовать
"магнит попритягательней" - нейтронная физика. А с 1939-1940 гг. все
подчинила себе военная тематика.
Лишь в начале 1950-х гг. вновь обратились (сначала в
США, потом у нас) к карбиду кремния (именно в нем Лосев наблюдал самое яркое
свечение), но стимулировалось это транзисторными проблемами: первые
транзисторы, изготавливаемые из германия, не работали при повышенных
температурах (что особенно драматично (sic! - V.V.) - проявилось в Корейской
войне 1950-1953 гг.), и Пентагон излил золотой дождь на решение этой проблемы.
Вскоре альтернативой германию стал кремний и закрепился навсегда, а на карбиде
кремния транзисторы изготовить не смогли, но - не отказываться же от дарованных
денег - потихоньку от военных занялись свечением и заметно преуспели.
Естественно, вспомнили и Лосева, с цитирования его статей, в том числе и
русскоязычных, начиналась тогда каждая публикация, было дано теоретическое обоснование
его открытию и определено место Лосева в истории как первооткрывателя
инжекционной люминесценции полупроводников - явления, составляющего основу
принципа действия светодиодов и лазеров. Круг исследований начал стремительно
расширяться, появились новые, более эффективные полупроводники, и вскоре
приступили к созданию светодиодов.
Оказалось, однако, что историю "свечения
Лосева" кое-кто непрочь и переписать. Готовясь к 200-летию США (1976),
американские историки науки [12 ]обнаружили, что свечение карборунда
наблюдалось еще в 1907 г. [13], и даже такой серьезный исследователь, как Е.
Лёбнер, долгие годы проживший в Москве, тщательно изучивший наследие Лосева и
еще в 1973 г. безоговорочно признававший его приоритет, теперь стал говорить
лишь о переоткрытии им электролюминесценции [14]. В упомянутом письме в
редакцию Г.Дж. Раунд толково рассказывает о свечении детекторов, но из его
краткого сообщения (150 слов) неясно, была это инжекционная люминесценция или
другое явление, также исследованное Лосевым, значительно менее эффективное и не
имеющее практического значения. Резонанса заметка Раунда не получила, сам он,
насколько известно, к "любопытному явлению" более не возвращался и,
дожив до 1966 г., ни на какой приоритет не претендовал. Кстати говоря, и Лёбнер
определяет имя Раунда в первооткрыватели электролюминесценции со множеством
оговорок: "по-видимому, можно считать", "вероятно",
"однако" и проч. "Страсти по Раунду" в истории техники это
прелюдия той массированной мифологизации общей истории, которая позднее начала
осуществляться на Западе очень широко (как, например, в кинопритче о солдате
Райане, "выигравшем" Вторую мировую войну).
* * *
Историку науки очевидно, что открытие нового эффекта
это нечто большее, чем просто факт его обнаружения. Кроме этого первого
начального события, обычно случайного, "алгоритм открытия" должен
включать [15]:
многократное воспроизводимое его наблюдение;
исследование с целью выявления природы явления;
объяснение, хотя бы как попытка;
подтверждение истинности теми или иными практиками;
публикация и признание обществом.
И при этом окончательное суждение история выносит лишь
спустя некоторое время, достаточное для осмысления произошедшего [16].
Переходя к общей оценке научной деятельности Лосева,
повторимся, что открытие им инжекционной люминесценции в полной мере
соответствует описанному алгоритму, чего нельзя, по нашему мнению,
распространить на его же открытие кристадина. Здесь мы имеем дело лишь с
обнаружением и использованием эффекта; ни исследования, ни приближения к
пониманию механизма явления не произошло [17]. В этой связи утверждение
Лебнера, что изобретатели транзистора Дж. Бардин и У. Браттейн переоткрыли в
1947 г. эффект усиления, открытый Лосевым в 1922 г., несостоятельно. Даже с
большой натяжкой Лосева нельзя считать предтечей изобретения транзистора, - как
говорится, чужого нам не надо.
Другое дело, что если бы в конце 1930-х гг. или сразу
же после войны перед ним была сформулирована проблема полупроводникового
усилителя и если бы жизнь его не оборвалась так рано, то с большой вероятностью
транзистор мог бы родиться в России - залогом тому лосевская интуиция,
самоотдача, изощренность экспериментатора.
II
Итак, к началу 1950-х гг. разобрались со свечением
полупроводников, однако тогда же поняли, что ни карбид кремния, ни германий, ни
кремний для светодиодов не подходят. Нужен похожий на них полупроводник, но
совсем другой, и такого в природе нет. Так в традиционной цепочке "физика
(эффект + теория) - материал - изделие (конструкция + технология + применение)"
исследования переместились на второе звено. Новые полупроводники были нужны
всей электронике, правда, в то время транзисторы полностью удовлетворились
кремнием, а на роль "главного заказчика" вышла инфракрасная техника,
которая все эффективнее демонстрировала военным свои чудодейственные
возможности, в первую очередь: противосамолетные тепловые головки самонаведения
[18] и приборы ночного видения, включая тепловизоры [19].
В 1952-1953 гг. Генрих Велькер из Мюнхена опубликовал
фундаментальную статью [20], в которой обосновывалась возможность создания
целого класса искусственных полупроводников на любой вкус, соединяя парами
специально подобранные металлы, образующие интерметаллические соединения. Но за
два года до этого, в 1950 г. наша соотечественница Н.А. Горюнова уже
предсказала "полупроводниковость" некоторых интерметаллов.
Отталкиваясь от химических представлений об изоморфизме, кристаллохимических
группах, видах валентной связи, она, пока еще интуитивно, перебрасывала мостик
к электрофизическим свойствам синтезируемых веществ. Тогда же на двух составах
это было подтверждено экспериментально [21]. Но в первооткрывателях ее имя на
Западе ни тогда, ни позднее не появилось, только Велькер, безоговорочно и в
единственном числе. Может быть, так и есть, и мы имеем дело с повторением
ситуации Лосев - Раунд? Ведь в предыдущем разделе обосновывалось (хочется
надеяться, убедительно), что не обязательно первый, кто подметил новое, должен
зачисляться в авторы. Да, не обязательно. Но это не случай Горюновой.
Нина Александровна Горюнова принадлежит к ярчайшим
представителям военного поколения, закаленного в трудностях, целеустремленного
и волевого. Когда в 1946 г. она появилась в Физтехе, у нее за плечами были
фабрично-заводское училище, химфак Ленинградского университета, два года работы
по распределению в заводской лаборатории, предблокадные ленинградские будни,
эвакуация в далекий Хабаровск. По возвращении в Ленинград ей уже 30, надо
растить четырехлетнего сына и годовалую дочь. Но была в этой русской женщине
небесная искра - она поступает в аспирантуру к А.Ф. Иоффе!
Академик дал ей вполне защищаемую и не слишком
перспективную тему из числа тех, когда надо закрыть очередную клеточку в
мозаике необследованных веществ, которые - а вдруг? - могут оказаться полезными
полупроводниками. "Серое олово" - одно название могло навести тоску,
но она раскрутила его на свой лад. Могли же Шерлок Холмсы по ниточке и обрывку
газеты воссоздавать личность человека, а заодно и всю его родословную. За
подсказками по методологии обобщений она обращается не к кому-нибудь, а к
Менделееву, Курнакову, Гольдшмидту [22]; в практической деятельности использует
свой, ставший потом "фирменным", напор: пробивается в запасники
Эрмитажа, где ей разрешают с потемневших старинных оловянных потиров наскрести
пригорошню "оловянной чумы", это и есть серое олово.
Предвидение академика подтвердилось: серое олово и
впрямь оказалось полупроводником, но практически бесполезным. Зато на нем
Горюнова угадала тот рецепт, по которому можно было синтезировать любые интерметаллы.
Первое сообщение об этом - ее кандидатская диссертация (1950), но диссертации
часто остаются незамеченными. В октябре того же года - доклад на Всесоюзном
совещании в Киеве, отмеченный патриархами А.Ф. Иоффе [23] и В.Е. Лашкаревым, в
1951 г. появляются ее публикации в "Докладах..." и
"Известиях..." Академии. Это читают на Западе, но стоит ли им ожидать
чего-то значительного из невосстановленной после военной разрухи страны? А
Горюновой не до утверждения приоритетов, она торопится: синтезирует все новые
соединения, находит ключик к смешиванию трех, четырех (и сколько хотите еще)
компонентов.
Ее энергия, оптимизм, профессионализм, весь ее облик
притягательны [24], она щедра в раздаривании идей - "школа Горюновой"
распространяется на многие научные центры страны, с ней стремятся познакомиться
знаменитая Генриетта Родо из Франции, английский профессор К. Хилсум... В 1968
г. появляется ее итоговая монография, где сделана попытка предложить
периодическую систему полупроводниковых соединений [25]. В новых идеях у нее
тоже нет недостатка, но ... Так часто судьба бывает подчеркнуто несправедливой
по отношению к лучшим: Нина Александровна умерла от тяжелой болезни 31 января
1971 г., едва достигнув 54 лет.
На одном из международных конгрессов еще при ее жизни
Нобелевский лауреат Н.Н. Семенов отметил: "Работы Горюновой совершают...
переворот в неорганической химии". Как видим, на ситуацию Лосев - Раунд
совсем непохоже, по "горячим следам" о приоритете Горюновой
неоднократно высказывались такие авторитетные ученые, как Б.И. Болтакс, Б.Т.
Коломиец, А.И. Губанов, позднее - Ж.И. Алферов, причем очень активно и на
представительных международных форумах.
Было ли признание всеобщим? Длительное время Горюнова
работала у Д.Н. Наследова, он возглавлял единственную тогда в Физтехе
полупроводниковую лабораторию, где многие вполне сложившиеся ученые
довольствовались секторами или группами. Профессор Наследов (1903-1975) был
блестящим лектором, педагогом, организатором: руководить аспирантами он начал с
25 лет, и в какие-то моменты их одновременно бывало у него более 15; в 28 - он
заместитель директора; позднее - много сил и внимания уделял организации
научных центров в республиках СССР. Его отличали склонность к обобщениям,
обстоятельность и неспешность, так вплоть до 1957-1958 гг., судя по
публикациям, он сохранял заметный интерес к исследованиям селена,
полупроводника, бесперспективность которого всем в мире уже была очевидна.
И вот рядом с ним Горюнова - "лед и
пламень". Искрометная одержимость, упоение созданием новых веществ, их
"здесь и сейчас" своими руками она синтезировала в вытяжном шкафу.
Конечно, в ее ранних исследованиях не было законченности и строгой
доказательности, их тогда и не могло быть по сути дела. Возможно, поначалу она
не очень-то уверенно чувствовала себя в среде физиков, которые иронизировали:
"если один грязный металл соединить с другим грязным, то что, кроме грязи,
мы получим?" В те годы требование суперчистоты всех компонентов
полупроводниковой технологии уже фактически стало аксиомой. Загипнотизированные
совершенством германиевых и кремниевых кристаллов физики недоверчиво
поглядывали на очередной слиточек, извлеченный Горюновой из ампулы: "а
полупроводник ли это?" (Характерно в этой связи название доклада:
"Изучение электропроводности полупроводников и интерметаллических
соединений ...".)
Пока иронизировали и сомневались, время утекало,
приоритет Горюновой таял, фактически почти не обозначенный: без всестороннего
исследования синтезированных образцов их значимость была мизерной, только физик
мог дать оценку тому, что "сварил" химик. Трудно быть пророком в
своем отечестве, в нашем - в особенности [26].
Разумеется, лаборатория Наследова все же занялась
исследованием интерметаллов [27], причем одной из первых в мире, но все же не
первой. Стартовой отмашкой послужила упомянутая выше статья Велькера. Первая
публикация Наследова по новой тематике, появившаяся в 1956 г. в соавторстве с
очередным его аспирантом, цитировала только Велькера "со товарищи" и
"примкнувших к нему" американцев - эта команда уже заметно вырвалась
вперед. В конце статьи отмечалось, что "исследованные материалы были
синтезированы Н.А. Горюновой и В.С. Григорьевой", и - благодарность, но не
соавторство. Эта практика утвердилась на дальнейшее: из более чем 400 работ
Наследова, лишь 3 или 4 идут в соавторстве с Горюновой. Работы Горюновой не
отмечены ни Ленинской, ни Государственной премиями - традиционными научными
наградами тех времен. Она не стала и членом Академии наук - не сложилось.
В 1956 г. о физтеховских исследованиях новых полупроводников
Наследов доложил на представительной международной конференции в
Гармиш-Партенкирхене, там прозвучало и имя Горюновой, но вряд ли было услышано:
мир уже определился с приоритетом [28].
В 1976 г. вышли в свет воспоминания Г. Велькера о
делах четвертьвековой давности, в них признанный родоначальник нового
полупроводникового направления раздает "всем сестрам по серьгам".
Проникновенно и интересно описывает свой путь к открытию, это естественно;
подробно и подчеркнуто благожелательно анализирует исследования американцев,
начавшиеся с 1953 г., наделяя некоторые их результаты отметкой
"впервые"; вскользь, одним абзацем сообщает о "независимой
работе в Советском Союзе", о том, что в 1950 г. Горюнова предсказала
полупроводниковость новых соединений, при этом цитирует лишь наследовский
доклад 1956 г. А ведь в 1976 г. 64-летний патриарх заведомо знал о
многочисленных статьях и монографиях Горюновой, подтверждавших неслучайность ее
приоритетного сообщения 1950 г. Но напрашивающееся "впервые" из его
уст так и не прозвучало.
Велькер не монумент, у него своя человеческая история,
и, возможно, он испытывал обиду на несправедливость судьбы. В 1933 г. он начал
работать в Мюнхене у знаменитого А. Зоммерфельда, к 27 годам он - "Doktor
habilitiert", т.е. "полный доктор", и начинает исподволь
подходить к идее интерметаллических полупроводников. Впереди блистательное
будущее, но разразилась война, и ему пришлось заниматься детекторами для
радаров, а в 1947 г. из разрушенной Германии на несколько лет законтрактоваться
во Францию ради хлеба насущного. От "дела жизни" война отбросила его
на 7-10 лет, возможно, подсознательно на столько же лет раньше он
"числил" и свой приоритет и не считал себя морально обязанным
уступать его кому-нибудь [29]. Несомненно на его мироощущение как немца
наложила отпечаток национальная трагедия. Послевоенное унижение побежденной
нации у немецких ученых дополнялось еще и горьким осознанием
научно-технического проигрыша американцам, утратой (и ясно, что безвозвратной)
своего былого подавляющего превосходства [30], в чем они не хотели признаваться
даже самим себе [31]. Поколению, жизнь и смерть которого определяли
американские летающие крепости и танки "Шерман" [32], пришлось
научиться улавливать тончайшие нюансы заокеанских пожеланий-команд. Поэтому в
номере американского "IEЕЕ Transactions" (1976), где были помещены
воспоминания Велькера об открытии интерметаллических полупроводников, не могло
быть и речи о каком-либо советском приоритете - то был пик холодной войны,
Конгресс только что ввел ограничения на свободу торговли с СССР (1974).
Сегодня в исторической ретроспективе, очищенной
насколько возможно от политических наслоений, видно, что работы Г. Велькера и
Н.А. Горюновой в их совместном прочтении дали науке совокупность определяющих
физических и химических представлений об интерметаллических полупроводниках [33]
- в этом суть их общего приоритета.
III
В начале 1960-х гг. большинство из тех, кто занимался
свечением полупроводников, устремились к созданию лазера. Возникшая в 1953-1955
гг. квантовая электроника [34] в качестве своего главного вывода содержала
утверждение о том, что может быть разработан принципиально новый источник
излучения с узконаправленным суперинтенсивным когерентным [35] лучом света.
Правильнее было бы сказать, что это являлось не следствием, а предназначением
квантовой электроники. Ничего подобного в природе не было. Ученые оказались
вплотную к тому, чтобы "преступить грань", и возможность совершить
это первым - возбуждала.
Классическая квантовая электроника исследовала радиоволны,
возникающие в газах, поэтому, задумываясь о свете, полагали, что надо лишь
подобрать какой-то другой подходящий газ; Ч. Таунс и А. Шавлов (его шурин) даже
указали, где искать [36]. История, как водится, раскрутила сюжет по-своему:
первый лазер сделал (15 мая 1960 г.) из рубинового стерженька, наподобие
карандаша, американец Теодор Мейман. Человек независимых суждений и
непредсказуемых поступков (он мог, например, бросить все и на полгода
отправиться в кругосветное путешествие), высмеивающий преклонение
аспирантствующего молодняка перед авторитетом профессоров, Мейман с
беззаботностью победителя не исполнил ритуальный реверанс в сторону
предсказателей и получил адекватную ответную реакцию: к его презентации (7 июля
1960 г.) отнеслись сдержанно, не спеша признавать реальность прорыва в лазерный
век, а острословы утверждали, что он "нашел решение, для которого еще надо
найти проблему" [37]. Через полгода был создан газовый лазер, все как бы
встало на свои места, с возмутителем спокойствия постепенно смирились и отвели
ему в истории место создателя первого лазера, но первого в ряду других, в
какой-то мере тоже первых [38].
Летом 1962 г. началась стремительная атака на
полупроводниковый лазер - все понимали, что именно он станет действительно
массовым и сможет кардинально преобразить облик новой электроники. Еще в
1958-1960 гг. к проблеме начали исподволь подходить в нашем Физическом
институте им. П.Н. Лебедева АН СССР, пожалуй, здесь был наиболее подходящий для
этого коллектив [39]. К 1961 г. сформулированы теоретические предпосылки
создания полупроводникового лазера [40], неясно было лишь, какой именно
полупроводник даст результат (повторение меймановской ситуации). Однако в конце
июля 1962 г. американцы определились - арсенид галлия; отныне счет пошел на
недели и дни, и в сентябре-октябре лазерный эффект получили сразу в трех
лабораториях, а первой оказалась группа Роберта Холла (24 сентября 1962 г.).
Позднее он вспоминал, что в разгар событий они узнали
о статье Д.Н. Наследова, датированной январем 1962 г., в ней содержался намек
на обнаружение лазерной генерации; по-видимому, у русских уже есть лазер, и они
вот-вот о нем объявят, значит, надо еще прибавить оборотов. "Синдром
спутника" [41], да еще подкрепленный гагаринским полетом (1961),
действовал безотказно. Правда, вскоре американцы поняли, что лазерной генерации
в этой работе не было и быть не могло, так как не соблюдались некоторые
обязательные для этого условия (авторы и сами от такой интерпретации своих
экспериментов фактически благоразумно отказались), но этот посыл из России
сыграл свою роль в ускорении создания лазера.
Научный мир был хорошо разогрет лазерными страстями,
так что у нас в стране первые образцы были изготовлены в ФИАНе (А.П. Шотов)
через несколько недель после публикации Холла, еще через месяц - в НИИ-333
(В.И. Швейкин) [42], а к началу 1963 г. началась подготовка их
полупромышленного производства на заводе "Старт" с участием НИИ-311
(будущий НИИ "Сапфир"). Увы, дальнейшее показало, что созданные с
таким старанием и надеждой полупроводниковые лазеры крайне недолговечны и в
качестве коммерческого изделия перспективы не имеют, как у нас, так и у
американцев. Через несколько лет безуспешных исследований ситуация стала
казаться неразрешимой.
Счастливое продолжение лазерной истории связано с
гетероструктурами, здесь отечественный вклад и приоритет получили столь
очевидное мировое признание (Ж.И. Алферов, Нобелевская премия, 2000), что в
каких-то дополнениях нет необходимости. Разве лишь несколько штрихов из самого
раннего периода.
Основополагающую заявку на изобретение подал Алферов
(совместно с Р.И. Казариновым, теоретиком) всего лишь через 5 месяцев после
публикации Холла. По сути еще и обычных лазеров не было, их совсем не
распробовали. Несколько лет группа Алферова билась над поиском подходящего для
реализации материала, а нашла его, в некотором смысле полуслучайно, в соседней
лаборатории у Н.А. Горюновой, где этот сложный трехкомпонентный полупроводник
был изготовлен впрок "на всякий случай". Гетеролазер на этом материале
был создан в канун 1969 г., а приоритетной датой на уровне обнаружения
лазерного эффекта является 13 сентября 1967 г. [43 ]
Вернемся к началу 1960-х гг. Фактически каждый, кто
исследовал свечение полупроводников, так или иначе изготавливал светодиод,
поэтому искать первооткрывателя в каком-то абсолютном смысле бесперспективно.
Если же повести речь не об эффекте, не о научном достижении, а об изделии, то
определяющим критерием факта его существования является наличие коммерческого
производства. Сугубо прагматически: если изделие используют и покупают, то оно
существует (и наоборот).
В упомянутой лазерной гонке "побочным"
результатом стали красные светодиоды, о начале их мелкосерийного производства
фирма "Дженерал Электрик" объявила в широкой печати 28 ноября 1962 г.,
а спустя четыре десятилетия их создатель Ник Холоньяк удостоен премии
"Глобальная энергия". Заметим, что в том же 1962 г. у нас в НИИ-311
уже было развернуто производство светодиодов другого вида - на основе карбида
кремния - фактически это означало развитие идей Лосева на более совершенной
технологической основе [44]. И хотя эти светодиоды отличались низкой
эффективностью, но благодаря их безинерционности им было найдено важное
применение в ядерной физике для калибровки счетчиков частиц. Их производство в
нарастающих объемах продолжалось много лет, в том числе и для аппаратуры
оборонного назначения; с течением времени карбидокремниевые светодиоды уступили
место другим, более эффективным. К сожалению, публикации об этих первых
коммерческих светодиодах, не только в СССР, но и в мире, появились лишь через
несколько лет после начала их производства (1962), причем в узковедомственных
изданиях, поэтому вопрос об отечественном приоритете в создании светодиода и не
ставился.
Славное двадцатилетие 1950-1970 гг. стало решающим
периодом в истории оптоэлектроники и ее основы - лазеров и светодиодов. Ученые
двух великих стран - США и СССР - фактически общими усилиями совершили
колоссальный прорыв, который привел (совместно с транзисторной
микроэлектроникой) к рождению новой электроники, кардинально изменившей нашу
жизнь к концу XX века. И по большому счету ни идеологическое противостояние
наших стран, ни железный занавес, ни режим секретности препятствием не стали -
решающими факторами оказались лишь желание и воля.
Примечания
1 О жизни и деятельности Лосева см.: Лосев О.В. У
истоков полупроводниковой техники. Л.: Наука, 1972; Нижегородские пионеры
советской радиотехники / Сост. Б.А. Остроумов. М.; Л.: Наука, 1966; Центральная
радиолаборатория в Ленинграде / Под ред. И.В. Бренева. М.: Сов. Радио, 1973;
Остроумов Б., Шляхтер И. Изобретатель кристадина О.В. Лосев // Радио. 1952. №
5; Новиков М.А. Олег Владимирович Лосев: пионер полупроводниковой электроники
// ФТТ. 2004. Т. 46. № 1.
2 Детектор - это полупроводниковый кристаллик с
прижатой к нему металлической иглой. Выпрямляющее действие такого точечного
контакта открыл Ф. Браун (1874), будущий Нобелевский лауреат за радиосвязь
(совместно с Г. Маркони); он же впервые использовал детектор для радиоприема.
3 "Благословенны не знающие, но
уверовавшие", - нередко подтверждается и в науке. "Дорога к научному
открытию [...] не обязательно требует глубоких .познаний [..] неофит часто
имеет преимущество перед знатоком именно в силу своего невежества, так как
[...] не представляет всех сложных причин, по которым бессмысленно даже
поставить данный эксперимент", - это из нобелевской речи А. Джайвера (см.:
Лауреаты Нобелевской премии. Энциклопедия. М.: Прогресс, 1992. С. 409). Человек
реальной жизни, разнорабочий, капрал, механик по образованию, лишь в 27 лет
приобщившийся к физике, он через пару лет достиг выдающихся результатов, и они
поставили его в один ряд с двумя другими нобелевцами 1973 года: рафинированными
университетчиками Б. Джозефсоном и Л. Эсаки.
4 Звучное и адекватное название открытия/изобретения -
половина успеха и почти всегда - пропуск в историю, на Западе это понимают
лучше нас. Название кристадин, прославившее изобретателя, за Лосева и его
окружение придумали немцы. См.: Lossev, О. Der Krystadin // Zeitschrift f. Fernmeldetechnik.
1925. № 9. S. 132.
5 Ему в ту пору было 22-24 года, он только начал
посещать лекции в Нижегородском университете, но так и не доучился до диплома.
6 Во время войны физтеховские преобразователи, одетые
на керосиновую лампу, обеспечивали питанием радиоприемники в глухих
партизанских землянках. Но сосредоточившись на одном, просмотрели транзисторы:
спустя 7 лет после их изобретения академик лишь вскользь упоминает о
"твердых усилителях" в ряду других достижений, а свечение полупроводников
вообще отодвигает на 16-е место (Иоффе А.Ф. Полупроводники в современной
физике. Л.: Изд. АН СССР. 1954).
7 Лосев остался в Ленинграде, чтобы подготовить к
публикации одну из работ, - в начале войны многие не смогли оценить
масштабность надвинувшейся катастрофы. Но вскоре он все понимает: "Жалею,
что я не эвакуировался... из Ленинграда, разумеется, следовало уехать с самого
начала" (из письма В.П. Жузе 17 ноября 1941 г. см.: Нижегородские пионеры
советской радиотехники... С. 194). Его могли вывезти и позже, но никто из
руководителей этим не озаботился. Нижегородский исследователь М. А. Новиков
обнаружил письменное обращение Лосева в дирекцию института с просьбой об
эвакуации и с резолюцией "мест нет".
8 В представлении и терминах обывателя. Человека,
живущего наукой, только наукой, и достигшего двух ее вершин, можно ли назвать
несчастливым? Подробнее см.: Носов Ю. Р. К истории открытия О. В. Лосевым
электролюминесценции полупроводников // Электронная промышленность. 2004. № 1.
С. 69-77.
9 Голодные обмороки случались и у "раннего"
И. В. Курчатова, такое было время.
10 См. например: Колчинский Э. И. "Культурная
революция" и становление советской науки (1928-1932) // Наука и кризисы.
СПб.: ИИЕТ РАН, 2003. С. 577-664.
11 Эту ситуацию середины 1930-х гг. образно
охарактеризовал будущий академик-ядерщик Г. Н. Флеров: "Я оставил
полупроводники, ибо понял, что там науки еще нет - кухня! Да притом без
возможности пробовать суп до того, как он сварился" (цит. по: Игорь
Васильевич Курчатов в воспоминаниях и документах. М.: ИздАТ, 2003. С. 339).
12 В США "история науки... получила значительную
поддержку благодаря холодной войне". См.: Лесли С. В. Наука и политика в
Америке во времена холодной войны // Наука и кризисы... С. 940.
13 Round, H. J. A
note on carborundum // Electr. World. 1907. Vol. 49. P. 399.
14 Loebner, E. E.
Subhistories of the light emitting diode // ШЕЕ Trans. 1976. Vol. ED-23. № 7. P. 675.
15 Носов Ю. Р. Из истории полупроводниковых
светодиодов // Труды X Юбилейной годичной конференции ИИЕТ. 2004. С. 668-670.
16 Из классики: спектральное разложение солнечного
света неоднократно наблюдалось и до Ньютона; реакцию стрелки компаса на
протекание тока по проводнику первым заметил студент на лекции Эрстеда; но в
историю науки эти открытия вошли под именами Ньютона и Эрстеда.
17 Отчасти и по этой причине "кристадинный
бум" угас в течение нескольких лет.
18 В 1944-1945 гг. они обеспечили американской ПВО
практически стопроцентное уничтожение японских самолетов-камикадзе. См.
например: Пролейко В. М. Военные и информационные аспекты развития
отечественной электроники // Труды X Юбилейной годичной конференции... С.
671-673.
19 Подобно тому, как "битву за Британию"
(1940) выиграли радары, окончание Вьетнамской войны и Парижский мир (1973)
обеспечили тепловизоры: к ним не сумели подобрать противодействие, аналогично
тому, как это было сделано в отношении радаров, и американские ВВС начали нести
слишком значительные потери. В этой и некоторых последующих ремарках отчетливо
видно, как тесно переплетаются в современном мире общая история с историей
электроники (Носов Ю. Р. США и новейшая история электроники // США/Канада. 2003. № 9. С. 87-98).
20 Welker, H. Uber
neue halbleitende Verbindungen // Zeitschrift Naturforschung. 1952. Bd. 7a. S. 744-749; 1953. Bd. 8a. S. 248-251.
21 Горюнова Н. А., Обухов А. П. Серое олово -
электронный полупроводник; Блум А. Н., Мокровский Н. П., Регель А. Р. Изучение
электропроводности полупроводников и интерметаллических соединений в твердом и
жидком состояниях - доклады на совещании в Киеве 14-21 октября 1950 см.
информацию в: ЖТФ. 1951. Т. XXI. Вып. 2. С. 231. Обе работы, кандидатская -
Горюновой и докторская - Регеля, шли под патронажем А. Ф. Иоффе, настойчиво
искавшим связь между структурными и электрофизическими свойствами материалов.
22 Н. С. Курнаков (1860-1941) - русский металловед; В.
М. Гольдшмидт (1888-1947) - норвежский геохимик.
23 Свой доклад он закончил заклинанием:
"Руководящие указания партии, широкое использование метода критики и
самокритики оградят нас от заблуждений и грубых ошибок" и славословием в
адрес "величайшего гения человеческой мысли и творческих достижений".
В условиях бесчисленных кампаний по закручиванию гаек (см.: Кременцов Н. Л.
Советская наука и холодная война // Наука и кризисы... С. 830-907) это уже не
спасало - вскоре его отстранили от директорства, причем осуществили это с
остроумным изяществом: просто заколотили и опечатали дверь из квартиры
академика (в левом крыле институтского здания) в сам Физтех.
24 Автору довелось мельком видеть Н. А. Горюнову в
Физтехе в начале 60-х гг.; впечатление: сочетание женственности и стремительной
решимости. О жизни Н. А. Горюновой см.: Кудесница алмазоподобных
полупроводников / Под ред. А. М. Андриеша. Кишинев, Штиинца, 1987.
25 Горюнова Н. А. Сложные алмазоподобные
полупроводники. М.: Сов. Радио, 1968.
26 Невольно напрашиваются исторические сопоставления.
Ни Д. И. Менделеев, ни А. С. Попов, ни П. Н. Лебедев не выдвигались на
Нобелевскую премию ни одним из отечественных ученых, хотя возможность кому-то и
предоставлялась (Блох А. М. Советский Союз в интерьере Нобелевских премий.
СПб., Гуманистика, 2001).
27 В период повального увлечения кремнием это был
смелый шаг, а с учетом того, что от нашей науки тогда требовали быстрой
промышленной отдачи, - мужественный шаг - в интерметаллах все было туманно и
быстрого выхода в практику не ожидалось.
28 Вновь напрашивающееся сопоставление: приоритет О.
В. Лосева в изобретении кристадина обусловлен в значительной степени и тем, что
его руководитель проф. В. К. Лебединский всячески подталкивал талантливого
юношу к оперативным публикациям в отечественной и зарубежной периодике. У
"ранней" Горюновой таких публикаций не оказалось.
29 И у Горюновой война "украла" 7 лет.
Вообще говоря, проблема приоритета несущественна для развития науки (но не для
истории науки).
30 Из 77 предвоенных (до 1945 г.) Нобелевских премий
по физике и химии немцы участвовали в 27 (35%), что превышает участие англичан
и американцев вместе взятых (32%).
31 Уолкер М. Наука в послевоенной Германии // Наука и
кризисы... С. 908-922.
32 Несомненно, этой грохочущей реальностью навеяно
обращение М. Хайдеггера к философии техники (1949); неудивительно, что именно
тогда, не прошедший денацификацию и уволенный из Фрейбургского университета, он
пришел к своей грустноватой концепции "постава" (см. например: Новая
технократическая волна на Западе. М., Прогресс, 1986). А ведь в последней
предвоенной лекции (1938) он воспарял к философии "новоевропейской картины
мира" - исторические реалии "обламывают" и философа.
33 Достижение, более чем достойное Нобелевской премии,
но так и не увенчанное ею.
34 Одно из величайших открытий XX в., и мы горды тем,
что его признанными авторами являются Н. Г. Басов и А. М. Прохоров (Нобелевская
премия 1964 г. совместно с американцем Ч. Таунсом) - об этом много написано.
Отвлекаясь от чисто научных аспектов, заметим, что эта премия стала и
символическим рукопожатием двух стран, стремившихся тогда сгладить недавнее
противостояние (Западный Берлин, Куба).
35 Особое свойство света, на бытовом уровне близкое к
чистейшей одноцветности, принципиально для многих применений. Однако, в чистом
естественном цвете намешано множество полутонов не всегда различимых глазом:
"просто человек" выделяет до 100-150 оттенков, художник - до 3000,
физические приборы - десятки миллионов.
36 Schawlov, A.,
Townes, Ch. Infrared and optical masers // Phys. Rev. 1958. Vol. 112, № 6. P. 1940-1949. Статья признана
"классической", хотя ее практические рецептуры в дело не пошли.
37 Иронизировали зря: от изобретения Меймана пошли
твердотельные лазеры, нашедшие широчайшее применение, кроме всего - в
высокоточном оружии и в гигантских установках термоядерного синтеза.
38 Жестко, но справедливо. Чем старательнее мы
пытаемся выяснить, кто был первым, тем более неопределенным оказывается ответ;
кажется, это общее правило. В 1938-1940 гг. наш соотечественник В. А. Фабрикант
продемонстрировал (на грани различимости) лазерное усиление в газах, в 1951 г.
он с коллегами подал соответствующую заявку, по которой получил авторское свидетельство
(1959) и диплом на открытие (1964). (См. например: Светотехника. 1998. № 1. С.
41-47.) В ноябре 1957 г. некто Г. Гоулд, американец, подал заявку на
"лазерное усиление с оптической накачкой", через 20 лет Патентное
ведомство США выдало ему патент, но к тому времени все награды за лазер уже
раздали (Электроника. М., Мир, 1980. С. 121). Сильное забегание вперед, да еще
вне общего строя, как правило, оборачивается личной драмой и науке, в
особенности прикладной, мало что дает.
39 На высшем мировом уровне работали лаборатории Н.Г.
Басова и А.М. Прохорова, родоначальников квантовой электроники, и лаборатория
полупроводников Б.М. Вула.
40 Положения основополагающей статьи (Басов Н.Г.,
Крохин О.Н., Попов Ю.М. Получение состояний с отрицательной температурой
р-n-переходах вырожденных полупроводников // ЖЭТФ. 1961. Т. 40. № 6. С. 1879)
через полгода повторил француз М. Бернард в англоязычном журнале (вполне
корректно, со ссылкой на наших), и американские лазерщики-практики цитировали
уже именно Бернарда - вот так и "утекают приоритеты" (один из
каналов).
41 Запуск первого советского спутника (4 октября 1957
г.) породил в США комплекс неуверенности в своем технологическом превосходстве.
Тогда в течение нескольких месяцев посредством долларовых вливаний они переключили
миллион(!) исследователей на военную тематику, и один из них, Дж. Килби,
изобрел интегральную схему - так в 1958 г. родилась микроэлектроника. Но страх,
что русские могут преподнести сюрприз, остался надолго.
42 Созданный по постановлению ЦК КПСС и СМ СССР №
285-137 от 24.03.1962 г. этот НИИ (будущий "Полюс") был ориентирован
на твердотельные лазеры, но уже летом 1962 г. в нем организовали отдел
полупроводниковых лазеров, еще не появившихся на свет. Дело решили дар
предвидения и смелость директора М.Ф. Стельмаха, одного из выдающихся
лазерщиков страны, и упрямая одержимость В.И. Швейкина. уже создавшего в
воображении "свой" лазер (авт. свидетельство 714114
"Полупроводниковый лазер для инфракрасного излучения", заявл.
25.11.1961).
43 Назовем и ближайших сотрудников
Алферова той поры: В.М. Андреев, Д.3. Гарбузов, В.И. Корольков, Е.Л. Портной,
Д.Н. Третьяков.
44 Т.Г. Кмита, И.В. Рыжиков, В.И. Рыкалин, В.И.
Павличенко. Полупроводниковый источник наносекундных световых импульсов, авт.
свид. 161349 (заявл. 31.08.1962).
Список литературы
Для подготовки данной работы были использованы
материалы с сайта http://vivovoco.rsl.ru