Родители будущего ученого были заядлыми коммунистами. Своего старшего сына они назвали Марксом (в честь Карла Маркса), а младший получил имя Жорес (в честь Жана Жореса, основателя французской социалистической партии, идеолога и основателя газеты «Юманите»).
Детские воспоминания Жореса часто связаны с его старшим братом. Маркс помогал мальчику в учебе, никогда не давал его в обиду. После окончания школы и нескольких месяцев учебы в Уральском индустриальном институте он бросил все и ушел на фронт – защищать Родину. В возрасте 20 лет младший лейтенант Маркс Алфёров был убит.
Начальное образования Жорес получил в Сясьстрое. 9 мая 1945 года отец мальчика получил назначение в Минск, куда вскоре переехала и семья. В Минске Жореса определили учиться в единственную не разрушенную в городе 42-ю среднюю школу, которую он окончил в 1948 году с золотой медалью.
Учителем физики в 42-й школе был знаменитый Я. Б. Мельцерзон. Несмотря на отсутствие физического кабинета, преподавателю удалось привить любовь и интерес школьников к своему предмету. Заметив талантливого мальчика, Яков Борисович всячески помогал ему в учебе. После окончания школы учитель порекомендовал Алфёрову ехать в Ленинград и поступать в Ленинградский электротехнический институт им. В. И. Ленина (ЛЭТИ).
На молодого Алфёрова физические уроки действовали магнетически. Особенно его заинтересовал рассказ учителя о работе катодного осциллографа и принципах радиолокации, так что мальчик после школы уже твердо знал, кем он хочет быть. Он поступил в ЛЭТИ на специальность «электровакуумная техника» факультета электронной техники (ФЭТ). В то время институт был одним из «пилотных» вузов в области отечественной электроники и радиотехники.
На третьем курсе способного студента взяли на работу в вакуумную лабораторию профессора Б. П. Козырева, где молодой Алфёров начал свою первую экспериментальную работу под руководством Натальи Николаевны Созиной. Позже Алфёров очень тепло отзывался о своем первом научном руководителе. Незадолго до прихода в институт Жореса она сама защитила диссертационную работу по исследованию полупроводниковых фотоприемников в инфракрасной области спектра и всячески помогала в исследованиях Жореса Алфёрова.
Атмосфера в лаборатории, процесс исследования очень нравились студенту, и он решил стать профессиональным физиком. Особенно Жореса заинтересовало изучение полупроводников. Под руководством Созиной Алфёров написал дипломную работу, посвященную получению пленок и исследованию фотопроводимости теллурида висмута.
В 1952 году Алфёров окончил ЛЭТИ и решил продолжить научные исследования в заинтересовавшей его области физики. При распределении выпускников на работу Алфёрову улыбнулась удача: он отказался остаться в ЛЭТИ и был принят в Физико-технический институт им. А. Ф. Иоффе (ЛФТИ).
В то время настольной книгой молодого ученого была монография Абрама Федоровича Иоффе «Основные представления современной физики». Распределение в Физтех было одним из самых счастливых моментов в жизни знаменитого ученого, определившее его дальнейший путь в науке.
К моменту прихода молодого специалиста в институт светило советской науки, директор ЛФТИ Абрам Федорович Иоффе уже ушел со своего поста. «Под Иоффе» была образована лаборатория полупроводников при Президиуме АН СССР, куда выдающийся ученый пристроил почти всех лучших физиков – исследователей полупроводниковой области. Молодому ученому повезло во второй раз – он был откомандирован в эту лабораторию.
Великий А. Ф. Иоффе был пионером полупроводниковой науки в целом и основоположником отечественных разработок в этой области. Именно благодаря ему Физтех стал центром полупроводниковой физики.
В 1930-е годы в Физтехе проводились различные исследования, ставшие фундаментальными основами новой области физики. Среди таких работ следует особенно выделить совместный труд Иоффе и Френкеля 1931 года, в котором ученые описали туннельный эффект в полупроводниках, а также работу Жузе и Курчатова по собственной и примесной проводимости полупроводников.
Однако после серии успешных работ Иоффе заинтересовался ядерной физикой, другие гениальные физики занимались иными близкими им областями науки, так что развитие физики полупроводников несколько замедлилось. Кто знает, как бы развивались дальше дела, если бы в 1947 году американским ученым не удалось добиться транзисторного эффекта на точечном транзисторе. В 1949 году уже был изготовлен первый транзистор с p-n-переходами.
В начале 1950-х годов советское правительство поставило институту конкретную задачу – разработать современные полупроводниковые приборы, которые можно было бы использовать в отечественной промышленности. Лаборатория полупроводников должна была получить монокристаллы чистого германия и на их основе создать плоскостные диоды и триоды. Способ массового промышленного производства транзисторов американские ученые предложили в ноябре 1952 года, теперь очередь была за советскими учеными.
Молодой ученый оказался в самом эпицентре научных разработок. Ему довелось участвовать в создании первых отечественных транзисторов, фотодиодов, мощных германиевых выпрямителей и т. д.
Задание советского правительства лаборатория Тучкевича выполнила на «отлично». Жорес Алфёров принимал активное участие в разработках. Уже 5 марта 1953 года он сделал первый транзистор, который справлялся с нагрузками и хорошо показал себя в работе. В 1959 году за комплекс проведенных работ Жорес Алфёров получил правительственную награду.
В 1960 году вместе с другими учеными Жорес отправился на международную конференцию по физике полупроводников в Прагу. Среди знаменитых ученых там присутствовали Абрам Иоффе и Джон Бардин, представитель знаменитой троицы Бардин – Шокли – Браттейн, создавшей в 1947 году первый транзистор. После посещения конференции Алфёров еще больше заинтересовался научными исследованиями.
В следующем году Жорес Алфёров защитил свою кандидатскую работу, посвященную созданию и исследованию мощных германиевых и частично кремниевых выпрямителей, и был удостоен степени кандидата технических наук. Фактически эта работа подвела итог его десятилетних исследований в данной области науки.
Особенных раздумий, какую область физики выбрать для дальнейших исследований, у него не было – он уже серьезно работал над получением полупроводниковых гетероструктур и исследованием гетеропереходов. Алфёров понимал, что если ему удастся создать совершенную структуру – это будет настоящий скачок в физике полупроводников.
В то время сформировалась отечественная силовая полупроводниковая электроника. Долгое время ученым не удавалось разработать приборы, основанные на гетеропереходах, из-за трудности создания перехода, близкого к идеальному.
Алфёров показал, что в таких разновидностях p-n-переходов, как р-i-n, р-n-n+ в полупроводниковых гомоструктурах, при рабочих плотностях тока, ток в пропускном направлении определяется рекомбинацией в сильно легированных р и n(n+) областях структур. При этом средняя i(n) область гомоструктуры не является главной.
При работе над полупроводниковым лазером молодой ученый предложил использовать преимущества двойной гетероструктуры типа p-i-n (р-n-n+, n-p-p+). Заявка на авторское свидетельство Алфёрова была засекречена, гриф секретности был снят только после того, как американский ученый Кремер опубликовал подобные выводы.
В возрасте 30 лет Алфёров уже был одним из ведущих специалистов в области полупроводниковой физики в Советском Союзе. В 1964 году его пригласили принять участие в международной конференции по физике полупроводников, проводившейся в Париже.
Через два года Жорес Алфёров сформулировал общие принципы управления электронными и световыми потоками в гетероструктурах.
В 1967 году Алфёров был избран заведующим лабораторией ЛФТИ. Работа над исследованиями гетероструктур шла полным ходом. Советские ученые пришли к выводу, что реализовать основные преимущества гетероструктуры возможно лишь после получения гетероструктуры типа AlxGa1-xAs.
В 1968 году стало ясно, что не одни советские физики работают над этим исследованием гетероструктур. Оказалось, что Алфёров и его команда всего лишь на месяц опередили исследователей из лаборатории IBM в своем открытии гетероструктуры типа AlxGa1-xAs. Кроме IBM в исследовательской гонке приняли участие такие монстры электроники и полупроводниковой физики, как компании Bell Telephone и RCA.
В лаборатории Н. А. Горюновой удалось подобрать новый вариант гетероструктуры – тройное соединение AlGaAs, что позволило определить популярную на сегодня в электронном мире гетеропару GaAs/AlGaAs.
К концу 1969 года советские ученые во главе с Алфёровым реализовали практически все возможные идеи управления электронными и световыми потоками в классических гетероструктурах на основе системы арсенид галлия – арсенид алюминия.
Кроме создания гетероструктуры, близкой по своим свойствам к идеальной модели, группа ученых под руководством Алфёрова создала первый в мире полупроводниковый гетеролазер, работающий в непрерывном режиме при комнатной температуре. Конкуренты из Bell Telephone и RCA предложили лишь более слабые варианты, базирующиеся на использовании в лазерах одиночной гетероструктуры pAlGaAs-pGaAs.
В августе 1969 года Алфёров совершил первую свою поездку в США на Международную конференцию по люминесценции в Ньюарке, штат Делавер. Ученый не отказал себе в удовольствии и выступил с докладом, в котором упомянул характеристики созданных лазеров на основе AlGaAs. Эффект от доклада Алфёрова превысил все ожидания – американцы намного отстали в своих исследованиях, и только специалисты из Bell Telephone спустя несколько месяцев повторили успех советских ученых.
На основе разработанной в 1970-х годах Алфёровым технологии высокоэффективных и радиационностойких солнечных элементов на основе гетероструктур AlGaAs/GaAs в Советском Союзе впервые в мире было организовано массовое производство гетероструктурных солнечных элементов для космических батарей. Когда подобные работы опубликовали американские ученые, советские батареи уже много лет использовались для различных целей. В частности, одна из таких батарей была установлена в 1986 году на космической станции «Мир». В течение многих лет эксплуатации она работала без существенного снижения мощности.