Hiện tượng Nakamura

Trần Trí Năng
(Univ. of Minnesota & Ecosolar International)  

Mặc dù  chủ yếu của những loạt bài chúng tôi viết chuyên về các kỹ thuật về màng mỏng trong thế giới cực nhỏ ; tuy nhiên thỉnh thoảng chúng tôi cũng sẽ giới thiệu những câu chuyện, nhân vật, đề tài tổng quát liên quan đến lănh vực này gọi là “để thay đổi không khí”. Trong ba số vừa qua, chúng ta thảo luận về IC, chất khí và plasma ; những đề tài tương đối khô khan . Trong  số này chúng tôi xin giới thiệu sự thành công của một nhà nghiên cứu người Nhật (đề tài gần gũi hơn với anh chị em  Exryu’s ḿnh hơn!) và hy vọng cho chúng ta  một vài điều để suy nghẫm : GS Shuji Nakamura của University of California – Santa Barbara (UCSB) . Ông  được cộng đồng khoa học và kỹ thuật  xem như một “trụ cột lớn” trong việcđưa đến  thành công  các sản phẩm thương mại blue LEDs (light emitting diodes) và blue LDs (laser diodes) dựa trên GaN. Đề tài nghiên cứu của ông có liên quan rất nhiều về khoa học vật liệu (materials science), vật ly về linh kiện điện tử (device physics) nói chung và màng mỏng nói riêng. Trong những linh kiện điện tử này,  multi quantum wells và superlattice với hàng chục màng mỏng với chiều dày khoảng 5 nm (1 nanometer /nm   bằng một phần tỉ của một mét) được dùng.

 Tôi xin mạo muội gọi “Hiện tượng Nakamura”  để nói về sự thành công của ông v́ phần lớn  sự thành công này đi ngược lại với “mô h́nh tiến thân thông thường tại Nhật” : ông tốt nghiệp ở một trường đại học nhỏ, làm ở một hăng nhỏ ở  một thành phố nhỏ, nghiên cứu  hầu nhự một ḿnh với thiết bị phần lớn tự ḿnh lắp đặt lấy  và với đề tài nghiên cứu nhiều người trên thế giới không c̣n quan tâm đến v́ nghĩ là không có triễn vọng. Trong sự “cô lập” và “gần như tuyệt vọng”, ông đă làm việc hăng say  để vượt qua những khó khăn ; và với ông kết quả thí nghiệm là người bạn dẫn dắt ông đi  qua khỏi “đám bầy nhầy “ ông đang đối diện hàng ngày trong pḥng nghiên cứu. Ông đă đạt được những thành quả liên quan đến linh kiện bán dẫn mà những “cây đại thụ/ titans” của Nhật và thế giới về “high tecs” như Sony, Matsushita, Stanley Electric, Sharp, Sanyo, Sumitomo, Toshiba, Toyoda Gosei, NEC, Hewlett-Packard, Xerox và  Philips không thể đạt được. Sáu năm sau khi lấy bằng PhD từ University of Tokushima, ông được bầu vào Viện Hàn Lâm Khoa Học Mỹ (National Academy of Sciences) năm 2000.  Năm 2002, ông nhận giải the Benjamin Franklin  (giải ngày xưa Max Planck, Albert Einstein and Stephen Hawking đă nhận) . Năm 2006, ông lại nhận được giải thương Millennium Technology– giải thưởng lớn nhất về engineering với một số tiền thưởng   1 triệu Euros. Với cái đà phát triễn về kỹ thuật blue light (blue light technology) này, chúng tôi nghĩ chuyện lảnh giải Nobel nằm trong tầm tay của ông (not bad for someone who didn’t expect to succeed ! S. Nakamura [1]). Sự thành công của ông tùy thuộc phần lớn vào sự quyết tâm, nỗ lực vượt bực, óc sáng tạo cao,  ḷng yêu thích  ngành nghề,  thái độ không chịu chạy theo trào lưu của ông,  hoàn cảnh đưa đẩy đến làm việc ở một hăng nhỏ nhưng có  môi trường tốt để óc sáng tạo có thể phát huy, có người lănh đạo tốt ít quan liêu, cộng thêm với ước mơ thực hiện “American dream”   và  sự  “thở hít và sống trong  không khí và môi trường nghiên cứu” tại Mỹ. Chúng tôi cũng sẽ  phân tích ‎ về “hiện tượng Nakamura” một phần dựa trên nguyên ly‎ “cơ duyên”, “vận may”, “nguy cơ” và góp vài cảm nghĩ về giáo dục và hướng đi nhằm đào tạo những nhân tài trong tương lai đặc biệt về ngành khoa học vật liệu. Trong số tháng tới, chúng tôi sẽ thảo luận  về cấu tạo và vai tṛ của màng mỏng trong việc chế tạo blue  LED’s và LD’s, hai  kỷ thuật bán dẫn non-IC mà ông đă và đang đóng góp tích cực cho xă hội và con người.

Keywords: blue light emitting diodes (blue LEDs), blue laser diodes (blue LD’s), blu-ray disc, HD-DVD, LED  TV, LED displays, MOCVD, Bridgeman technique, liquid phase epitaxy, GaAs, GaP, GaAlAs.

“What I have managed to achieve shows that anybody with relatively little special experience in the field, no big money and no collaborations with universities or other companies  can achieve  considerable success  alone when he tries a new research area without being obsessed with conventional ideas and knowledge..”

                                                 Shunji Nakamura

Hôm Black Friday, Ken- cậu con út của tôi mang về một màn h́nh tinh thể lỏng Westinghouse 50”  LCDTV 1080 p (1,920x1080 pixels)   để giữa pḥng đưới basement . Tôi hỏi con muốn làm ǵ với cái “electronic toy” mới này ; Ken  trả lời “ con muốn kết nối  Play Station 3 với màng h́nh LCD này rồi  xử dụng dĩa Blu –Ray để  xem h́nh rơ nét hơn”. Hai chữ  blu-ray disc gợi tôi nhớ lại những kỷ niệm liên quan đến LED’s, blue LD’s, blu-ray disc ,  HD-DVD, và phosphors  trong khoảng thời gian tôi làm việc  ở Imation/3M trong quá khứ: những ngày “vật lộn” với chất SiC để làm blue-green LED’s ; những lúc làm pixelized phosphors cho solid state  medical x-rays detectors dùng phosphors từ hăng Nichia; cái hôm Paul I. kéo tôi sang pḥng lab. “bắt” tôi góp ‎y  về phẩm chất của h́nh ảnh do dĩa blu-ray phát ra trên màn h́nh HDTV mà anh ta đang thẩm định ; buổi chiều mưa Hwa C. với khuôn mặt mừng rỡ kéo tôi đi dọc theo hành lang về lab để cho tôi xem cái  photoluminescence peak rất sắc  nét của ZnSe blue green*) laser diode LD’s đầu tiên trên thế giới do nhóm anh làm ra và buổi du thuyền cho nhóm và bạn bè   trên ḍng sông St Croix  v́ sự đột phá này. Tôi  lại nhớ đến mấy tấm h́nh trong tờ báo Yomiuri  về Kobe Luminairie 2011 mà tôi được xem trên Internet năm ngoái . Rồi tôi nghĩ đến người đứng phía sau sự thành công của blue LED’s và blue LD’s : GS Nakamura [h́nh 2] và hăng Nichia, nơi tôi thường mua phosphors. Nếu không có những linh kiện bán dẫn này, th́ những sản phẩm nói trên sẽ không tồn tại.  Những linh kiện bán dẫn blue LED’s và  blue LD’s này có nhiều ứng dụng trong nhiều lănh vực khác nhau chẳng hạn như  blu-ray optical storage như blu-ray disc, HD-DVD [h́nh 3, ref. 1], LED TV**), LED displays***) [h́nh 4 &5, ref. 2], outdoors lighting [h́nh 6], medicine, traffic signals, laser printers, laser displays [h́nh 7] và lọc nước (water purification) .  Blue light có thể hỗn họp với  màu đỏ và màu xanh lá cây (green)  cho ra nhiều màu kể cả màu trắng.  Những đèn LED’s này có thể thay thề bóng đèn incandescent  theo kiểu  Thomas Edison và fluorescent lamps v́ những lợi điểm sau: dùng ít năng lượng hơn (có thể tới 90 % ít hơn),   xài  lâu hơn (100.000 giờ so với 1.000 giờ của bóng đèn tungsten), không bị ô nhiễm thủy ngân, đa dạng về màu sắc, và có  hiệu suất  phát sáng cao hơn (luminous efficiency) [h́nh 8]. Thị trường lớn nhất của LED’s là các dấu hiệu ngoài trời (outdoors signs)  và các bảng LEDs  (display boards) như màn hiển thị LED ở Sydney Olympic Games năm 1994 với LEDs của  Nichia, bảng ghi điểm số (score displays) hiện đang dùng ở Dallas Cowboys New Stadium do Mitsubishi Electric Diamond Vision chế tạo và thiết lập [H́nh 4] . Riêng ở Nhật và một số các nước Á Châu, LEDs ở nhan nhăn khắp nơi :  các nhà ga,  dấu hiệu đèn đi-ốt phát quang có thể lập tŕnh (programmable LED’s sign) sẽ có thể thay thế giấy quăng cáo paper (paper advertisements ) . Trong tương lai LEDs có thể dùng ở các tiểm pachinko và thay thế đèn neon, loại đèn chúng tôi đă đề cập trong bài viết  tháng trước [3].

Về lưu trữ dữ liệu (data storage) cho dĩa blu –ray và HD-DVD, giảm  chiều dài bước sóng (wavelength) của tia laser sẽ tăng mật độ lưu trữ (recording density)  RD theo công thức :

 

RD= mật độ lưu trữ, NA= khẩu số (numerical aperture); λ= chiều dài bước sóng

Theo công thức này, mật độ lưu trữ RD sẽ tăng gấp 4 lần khi chiều dài bước sóng λ của tia laser giảm xuống một nửa. Dung lượng lưu trữ (storage capacity) của HD-DVD với tia sáng laser có chiều dài bước sóng 405 nm có thể lên đến 30 gigabytes (Gbytes) tùy theo chức năng  và cấu tạo [Bảng 2 – bảng 1 dùng để tham khảo ].

H́nh 1:  Kobe Luminairie . H́nh chụp vào ngày 13/12/2011 (tài liệu từ Yomiuri Shinbun và ERCT website)

 

           

H́nh 2: Hiện là professor & director  of the Solid State Lighting and Display Center, University of California, Santa Barbara. Blue LED’s (h́nh bên phải) . Photos : Randall Lamb, UCSB.

 

 

H́nh 3    :  HD DVD  và blu-ray disc dùng blue LD’s [1]

H́nh 4: LED displays at Dallas Cowboys New stadium.
72 ft x 160 ft  với 10.5 millions LEDs [Mitsubishi Electric Diamond Vision] [2]

 

Bảng 1    : CD  vs DVD

 

Bảng 2   : HD-DVD với blue LD’s

 

H́nh 5. Công trường Time Square thắp sáng với đèn LEDs (tài liệu từ UCSB)

 

 H́nh 6: Star Light Garden in Tokyo với đèn  blue LEDs
(tài liệu từ http://www.flicker.com/photos/sabra 100/ )

 

H́nh 7. 75” LaserVue TV (Mitsubishi Electric Visual Solutions). 

Trong loại  hiển thị này, laser diodes với ba màu red, green và blue quét (scan) trên tấm nàn h́nh bởi hệ thống polygon-mirror. http://www.cedailynews.com/2012/02/75-inch-laservue-tv-receives-2012-most-efficient-energy-star-award.html#

 

H́nh 8  : Hiệu suất phát sáng (luminous efficiency) của các loại đèn (tài liệu từ UCSB và www.lempteck.co.uk]

 

Lịch sử khai phát LED’s và blue LD’s

Sau 10 năm làm việc ở Nichia, năm 1988, GS Nakamura qua Mỹ một năm nghiên cứu về  MOCVD ở University of Florida . Sau khi trở về nước ông bắt đầu khai phát và nghiên cứu blue LEDs và LDs dùng  group III-nitride và MOCVD với một số tiền nghiên cứu khá nhỏ và thành phần nghiên cứu chỉ có một ḿnh   ông lo mọi chuyện từ A đến Z

Thực ra theo nguyên ly th́ cả hai LED’s và LD’s trong cấu tạo cơ bản đều gồm có hai lớp vật liệu với những tạp chất (impurities) khác nhau , i.e, n-type và p-type  để cho hạt electrons và holes. Bằng cách đặt ḍng điện ở hai đầu điện cực, ḍng điện ép hạt electrons và holes chạy về vùng tiếp hợp (junction) giữa  hai lớp bán dẫn . Sự khác nhau giữa LED’s và LD’s là ở trường họp của LD’s,  tia sáng được khuếch đại (amplified)  ở trong buồng cộng hưởng (cavity) của LD’s . Ở phần cuối của buồng cộng hưởng  , có thiết lập  phần gương (mirrors)  để phản chiếu (reflect)  phôton (photons) di chuyển  qua lại nhiều lần, khiến  cho hạt phôton  va chạm với hạt electrons, bị kích thích và kết quả là thêm  nhiều hạt phôton phóng ra và ánh sáng được khuếch đại .

LED  dựa trên GaN đầu tiên được nghiên cứu bởi TS J.I. Pankove và  cộng sự viên của ông tại hăng RCA vào thập niên 70’s [4], nhưng không thể làm sản phẩm thương mại được v́ không thể chế tạo p-type GaN với chất lượng tốt. Ít nhất ba vấn đề cần phải giải quyết để có thể thành công trong việc chế tạo sản phẩm GaN LEDs: (i) thiếu sự điều hợp mạng tinh thể (lattice-matching) thích hợp với vật nền (substrate) ; (ii) nhiệt đổi lưu (thermal convection) ở  nhiệt độ sinh trưởng màng mỏng (growth temperature) cao (khoảng 1.000C) v́ dùng phương pháp MOCVD và (iii) p-type doping.  Hiện tại hầu hết  dùng vật nền bằng sapphire (sapphire substrate) với lattice matching với GaN  cao,  khoảng 15%. GS. Akasaki (Nagoya University) và GS Nakamura  đă triễn khai được kỹ thuật chế tạo lớp đệm (buffer-layer technologies) để tạo GaN vời mật độ khiếm khuyết (defect density) thích hợp [5, 6] 

Đầu năm 1990, GS Isamu Akasaki (Nagoya University) và nhóm  của ông đă t́nh cờ khám phá  ra được phương pháp chế tạo p-type GaN với chất lượng tốt bằng cách chiếu xạ Mg-doped GaN với tia điện tử (electron beam irradiation) từ kính hiển vi điện tử [7]; tuy nhiên phương pháp chế tạo này không thích hợp trong việc sản xuất hàng loạt và  cơ cấu vật ly chưa được hiểu rơ. Sau đó, GS  Nakamura đă giải quyết vấn đề của p-type GaN một cách thỏa đáng hơn: ông nhận thấy những nhà nghiên cứu ở  nhiếu nơi  trong quá khứ  nung (annealed)  GaN trong khí ammonia (NH3 ); làm cho ammonia bị phân ly ở nhiệt độ trên 500 C, phóng thích hydrogen – chất sau này (hydrogen)  thụ  động hóa (passivates) các acceptors. Thế nên, giải pháp của ông Nakamura là annealing Mg doped GaN  trong một môi trường khí nitơ sạch ở 400 C và   ông đă thành công trong việc chế tạo p-type GaN với chất lượng tốt – một phần do sự thụ động hóa bằng hydrogen (hydrogen passivation) [8].  Kết quả nghiên cứu  này đưa đến sự thành công  trong việc thương mại hóa blue GaN LED’s [1] với độ sáng rất cao. Để giải quyết vấn đề nhiệt đổi lưu ở 1.000 C, ông khai thác hệ thống MOCVD với hai ḍng khí (two flow MOCVD) (h́nh 11, sẽ thảo luận nhiều sau). Trong hệ thống này, nguồn chất khí phụ (auxiliary stream of gases ) như N2 + H2  thổi thẳng góc với vật nền đẩy các chất khí phản ứng (reactant gases) trong nguồn khí chính (primary stream  of gases) TMG + NH3 + H2  về phía vật nền và kết quả là màng mỏng  GaN với chất lượng tốt được tạo thành.  Thêm vào đó, ông dùng  kỹ   thuật “lateral overgrowth” nhằm  tạo một lớp silicon dioxide để    giảm defect density trong InGaN.

GS Nakamura đă khai phát thành công blue- green , white  LED’s và blue LD’s dựa trên group III- nitride vào năm 1993 và vào ngày 12 tháng 12 năm 1995, blue LDs phát sáng ở nhiệt độ pḥng ra đời 1995. [9-11] . Đây dược xem như một  khám phá rất quan trọng trong lănh vực khoa học vật liệu (materials science)  trong  ṿng 30 năm nay v́ tia laser phát sáng ở nhiệt độ trong pḥng chớ không phải ở nhiêt độ thấp nữa. Màng mỏng chính  (active layers) của linh kiện LD  này  là multi-quantum- well với  26 lớp cấu tạo theo chu kỳ  In0.2 Ga0.8N  / In0.05  Ga0.95   . Điện thế giới hạn (threshold voltage) và ḍng điện giới hạn (threshold current) của LDs này khá cao, không thích hợp cho  sản phẩm. Thế nên, ông giảm số màng mỏng trên  và v́ thế điện thế và ḍng điện giảm xuồng c̣n 35 V và  1.7 A. Rồi với sự cải tiến thêm về cấu tạo của LDs với InGaN MQW (h́nh 9   ), những con số này giảm thêm nữa xuống c̣n 5.8 V (threshold voltage), 25 mA (threshold current) và phát sáng  liên tục 35 giờ ở 100 C [1]. Linh kiện LD lúc này có thể hoạt động tới 2 giờ ở nhiệt độ pḥng với chu kỳ hoạt động (duty cycle) của ḍng điện nhịp mạch (pulsed current)  bằng 20%. Trong sáu  tháng, tuổi thọ  (lifetime) của blue LDs ở nhiệt độ trong pḥng đă tăng   từ 300 giờ đến vài ngàn giờ ; và cuối năm đó, ông ta đă có thể tăng tuổi thọ  của LD’s đến 10.000 giờ, một điều kiện cần thiết cho sản phẩm bán trong thị trường.

 Năm 1999, Nichia bắt dầu bán 5 mW blue LDs. Đồng thời trong pḥng thí nghiệm, GS Nakamura và group của ông  (bây giờ có khoảng 20 người) tiếp tục  cải thiện LDs để gia tăng công suất (power) tới 30 mW. Ở thời điểm ông rời Nichia, sản phẩm của Nichia chiếm 40% của   thị trường $300 M của nitride LEDs. Lịch sử nghiên cứu và phát triễn của GaN được biểu hiện ở h́nh 10  .

H́nh 9. Cấu tạo của LD with InGaN MQW.
Linh kiện LD này có threshold voltage 5.8 V, threshold current  25 mA, và tiếp tục phát sáng (CW)  35 giờ ở 100 C [1]

 

H́nh 10 : Lịch sử các hoạt động R&D về GaN

 

H́nh 10. Lịch sử các hoạt động R&D về GaN (cont’d)

 

Chúng Tôi xin mạo muội gọi  sự thành công về blue LED’s và blue LDs này là “hiện tượng Nakamura“v́ nó ít khi xảy ra,  nhất là ở một xă hội bài bản và “quan liêu” như Nhật khi mọi chuyện phải tiến hành theo quy củ và thứ tự: tốt nghiệp trường lớn đưa đến công việc làm ở hăng lớn ; rồi từ đó làm nghiên cứu ở những pḥng nghiên cứu với thiết bị tối tân  và cơ hội tiếp xúc với những nhà nghiên cứu hàng đầu trong nghành; từ đó đưa đến những thành công trong việc nghiên cứu.  Trường hợp của  GS  Nakamura đă “thách thức” cái  mô h́nh này. GS Nakamura tốt nghiệp ở trường đai học Tokushima, một đai học tương đối nhỏ năm 1977 vào lúc  ông 24 tuổi  ; năm 1979 bắt đầu làm việc ở một hăng nhỏ lúc đó có khoảng hai  trăm  nhân viên tên là Nichia Chemical Industries ở một thành phố nhỏ tên là Anan  thuộc đảo  Shikoku. Nichia là một hăng chuyên chế tạo phosphors cho màn h́nh TV do ông Nobuo Ogawa thành lập vào năm 1956. Theo ông Eiji -con của ông Nobuo và là giám đốc của hăng từ năm 1989: “ở Nichia không có người quản ly, không có người kinh doanh chuyên nghiêp .  Mọi người ở đây làm việc như là thú vui.  Và khi làm sản phẩm Nichia rất hănh diện về những lối giải quyết không theo quy chế thông thường của mọi người. Từ khi hăng được thành lập,  chúng tôi  luôn luôn có cái mà người Nhật thường gọi là hesomagari (twisted navel). Chúng tôi không copy người khác  và thường th́ dùng các phương pháp có khác hơn mọi người  để giải quyết vấn đề”.

Chúng tôi xin phân tích các động cơ đưa đến sự thành công lớn này của GS Nakamura dựa theo sự tổng họp của bốn nguyên ly chính : (i) “cơ duyên” và “vận may”; (ii) thiên thời, địa lợi, nhân ḥa; (iii) từ “nguy cơ” .   Những nguyên ly này đôi khi lẫn lộn với nhau, bổ túc cho nhau  và khó tách rời riêng biệt.

Cơ Duyên và vận may

Trong ḍng đời “vô thường” này, có những “cơ duyên” mà con người không thể đoán trước được và “sự đưa đẩy số phận” này có khi cũng là “vận may”.  

(a) Nichia là một hăng nhỏ, nhưng có truyền thống sáng tạo (innovation và thành tích chế tạo sản phẩm thị trường cần. Sau khi học xong BS và MS về electronic engineering vào năm 1977 & 1979 ở University of Tokushima, GS Nakamura  muốn theo đuổi ngành chuyên môn ở những hăng lớn như Sony & Toshiba. Nhưng giáo sư  của ông khuyên ông đừng đi v́ ở những thành phố lớn, vật giá đắt đỏ, khó có tiền để mua nhà; vă lại lúc đó ông đă lập gia đ́nh với  đứa con đầu ḷng sắp ra đời và vợ ông lại là người ở Tokushima. V́ thế, ông quyết định ở lại Shikoku “một cách miễn cưỡng”. GS của ông giới thiệu ông đến làm  hăng  Nichia ở Anan, mặc dù lúc đó ông hoàn toàn không biết hăng này lớn nhỏ ra sao và làm về lănh vực nào . Hăng lúc bấy giờ có 200 nhân viên với tiền thu nhập  hàng năm khoảng $US 30 millions qua việc buôn bán phosphors và bắt đầu muốn nhảy vào thị trường LEDs.  R&D department của hăng lúc bấy giờ  gồm có GS Nakamura, boss của ông và một nhân viên nữa phụ trách về phần marketing. GS Nakamura là người độc nhất với cấp bằng MS trong hăng. Công tác đầu tiên của ông là nghiên cứu tinh thể GaP (gallium phosphide crystals)  dùng trong việc chế tạo   red and yellowish-green LED’s. V́ là hăng nhỏ, ông được nhiều tự do trong việc nghiên cứu và không phải đối diện nhiều với “corporate politics” và phải va chạm với  những “expert opinions” ở  những hăng lớn. Sau này ông thú nhận “If I had gone to a big company, it would have been very difficult for me to do research freely. At a big company, say Sony, there are very, very good researchers. So I would have to ask them what I could do.” (nếu lúc đó tôi đi làm cho hăng lớn, rất khó cho tôi làm công tác nghiên cứu với sự tư do. Ở một hăng lớn, chẳng hạn như Sony, có rất nhiều  chuyên gia  có khả năng tốt . Và v́ thế tôi chắc phải hỏi họ những ǵ tôi có thể làm).

Trong gần 10 năm đầu ở Nichia, ông khai phát được ba sản phẩm (GaP crystals, GaAs crystals và GaAlAs crystals) và một sự trùng họp ngẫu nhiên là thời gian làm công tác khai phát là 3 năm  cho mỗi sản phẩm.  Ông kể lại công tác nghiên cứu của ông trong khoảng thời gian này  như sau :

Ông dùng phương pháp Horizontal Bridgeman để sản xuất tinh thể gallium phosphide. Kim thuộc gallium (Ga) và phosphous (P) nóng chảy ở nhiết độ 1.500 C trong ḷ  hydrogen-oxygen và phản ứng trong một pḥng chứa chân không. Lúc đó, ông chẳng những phải lắp đặt ḷ (furnace)  mà c̣n phải hàn thạch anh (quartz), một công tác tương đối khó và cần nhiều mẹo vặt . Thử thách  chính là sau khi dụng cụ này được chế tạo xong. Mỗi buổi sáng vào lúc 8:00 giờ, ông chuẩn bị cái ḷ  và nguyên liệu;  10;;00- 11:00 AM : các chất phản ứng (reactants) được cho vào ḷ  đặt sau một tấm màn che  dùng để  ngăn cách pḥng lab với office của ông (nói một cách nôm na, văn pḥng  của ông cũng là pḥng thí nghiệm). Rồi ông gia tăng nhiệt độ trong ḷ tới 1.100 C; đến khoảng 2:00- 3:00 PM, các phản ứng bắt đầu.  Mỗi ngày, ông dùng khoảng hết hai b́nh chứa cao có oxygen và hydrogen. Cứ khoảng 3 lần một tháng, bộ phận thạch anh  bị  nứt, dẫn oxygen vào và phản ứng với photphorơ (phosphorous), gây ra phản ứng  nổ.  Chuyện này luôn luôn xảy ra lúc 5:00 PM lúc mọi người  bắt đầu đi ra xe đậu ở băi xe, nằm  khoảng 150 mét  từ pḥng thí nghiệm.  Khói dày màu trắng dày  phát ra từ hướng cửa sổ  của văn pḥng ông.  Cười thoải mái, ông hồi tưởng lại “ Lúc đầu người ta c̣n đến hỏi chuyện ǵ xảy ra thế? Ông vẫn c̣n sống sao?”. Sau lần thứ năm hay thứ sáu, không ai c̣n quan  tâm đến hỏi  ông nữa”. Mỗi lần có nổ (explosion) là ông xịt nước vào trong ḷ  để giữ cho phosphorơ khỏi bắt cháy.  Sau khi khói bay đi hết,  ông phải ngồi lại viết bản báo cáo. Boss  của ông không hài ḷng. “Tôi cứ nghĩ đời của tôi chắc cứ măi măi sống như thế này ?”.

Sau ba năm, cuối cùng ông chế tạo được tinh thể gallium phosphide (GaP) với phẩm chất tốt tương đương với sản phẩm của những hăng khác trong thị trường.  Điều không may là mặc dù  chất lượng sản phẩm tương đương với nhau, khách hàng thường có khuynh hướng thích mua  các  tinh thể (crystals) từ những hăng lớn có tên tuổi hơn ; và rốt cuộc Nichia chỉ có bán được $10.000 mỗi tháng với loại tinh thể GaP này. Thất vọng, người quản ly‎ kinh doanh  đề nghị  Nichia thử chế tạo tinh thể gallium arsenide  (GaAs) dùng trong LED’s.  Thế nên,  từ năm 1983, ông bắt đầu khai phát GaAs . Vẫn cùng kinh nghiệm như lúc làm việc với GaP, có điều khác hơn là lần này khi cái ḷ bị nổ, chất rỉ  ra là arsenic  oxide, một chất độc hại người. Lần này th́ ông dời  pḥng lab tới một pḥng biệt lập với văn pḥng  của ông. Ông đợi sau khi  khói tan biến  hết rồi ông mặc  bộ dồ “space suit” với mặt nạ pḥng hơi độc (respirator) đi vào pḥng lab  lo công việc   lau chùi [12].

(Chú thích/TTN: Cứ tưởng tượng nếu GS Nakamura  làm việc ở những hăng lớn như Sony hay Matsushita, th́ chuyện này chắc  đâu có thể xảy ra được?!)
          (b)
Cơ duyên đi “du học” ở University of Florida tại Mỹ
.  Chuyến đi xa này đă “đổi đời”ông với  sự thay đổi trong hướng nh́n trong chiều hướng nghiên cứu của ông. Ông đến University of Florida là để học về phương pháp chế tạo màng mỏng dùng hệ thống MOCVD (methaloorganic chemical vapor deposition).  Mọi chuyện không tiến hành như dự định. Pḥng thí nghiệm của GS nơi ông làm việc phải chuyển nhượng cả ba hệ thống MOCVD sang pḥng nghiên cứu của một GS khác cùng trường và chỉ c̣n những bộ phận để có thể làm một bộ máy  MOCVD khác. Và ông lại được “vinh hạnh” giao phó trách nhiệm lắp đặt chiếc máy này  bắt đầu lại từ đầu. V́ không có PhD và không có bài viết nào đăng trên các tạp chí chuyên môn,   người ta xem ông như một engineer chớ không phải là một người nghiên cứu [13] . Ông làm việc 7 ngày một tuần, 16 giờ mỗi ngày (chưa bao giờ làm việc nhiều như thế này ngay cả lúc c̣n ở Nhật). Sau 10 tháng ông hoàn thành bộ máy MOCVD. Sự kiện “không mấy vui” này cho ông hai hướng nh́n có lợi cho con đường nghiên cứu của ông sau này : (i) một nhà nghiên cứu phải có PhD và  đăng  bài báo (technical papers) trên các tạp chí chuyên môn. Ông bắt  đầu viết papers sau khi trở về Nhật và nhân bằng PhD cùng đai học Tokushima vào năm  1994. Ông tâm sự “"The most important thing I learned at the University of Florida is that a Ph.D. and writing papers are very important in the United States." (điều quan trọng nhất tôi học được ở University of Florida là cấp bằng PhD và viết technical papers rất quan trọng cho người nghiên cứu ở Mỹ) [13].  và (ii) với  kinh nghiêm lắp đặt MOCVD ông thu nhập được lúc ở U. Florida, ông có thể sửa đổi  nhanh chóng hệ thống MOCVD ông mua từ hệ thống với một ḍng chất khí (one flow system) sang hệ thống với hai ḍng chất khí ( two flow system)  giúp ông thành công trong việc chế tạo blue LED’s với độ sáng rất cao chưa từng thấy trước đây. (Chú thích/TTN: Nếu ông không bị “coi thường” và nếu hệ thống MOCVD  có lúc ông đến, th́ có thể ông không cần  phải làm việc rất nhiều để viết bài chuyên môn và cũng không đủ khả năng và kinh nghiệm để chuyển bộ máy MOCVD theo chiều hướng thích  họp cho việc nghiên cứu của ông )

Thiên thời, địa lợi, nhân ḥa

 Đây là ba yếu tố chính để thành công như ông cha ḿnh thường nói.

(a) Thiên thời. Thời điểm ông bắt đầu nghiên cứu blue LEDs  & blue LDs là giai đoạn chín mùi v́ nhu cầu cần thiết hai linh  kiện bán dẫn này. Điễn h́nh là lưu trữ dữ liệu (data storage)  với mật độ cao, màn hiển thị LED displays, đèn incandescent mau cháy c̣n đèn fluorescent th́ ô nhiễm với thủy ngân; và nhóm nghiên cứu ở 3M đă thành công chế tạo lần đầu tiên blue- green LD’s dùng ZnSe. Một khía cạnh khác là GaP và GaAs ông làm ra cho Nichia không bán được nhiều trong thị trường.

(b) Địa lợi. Mặc dù Nichia là một hăng nhỏ, nhưng có truyền  thống làm những nghiên cứu “không theo thời”. Sự thành công của hăng này trong việc thương mại phosphors là một thí dụ điễn h́nh. Khác với các hăng lớn với nhiều khuynh hướng khác nhau v́ có nhiều nhóm  cạnh tranh nhau và nhiều nhà nghiên cứu có nhiều kinh nghiệm và kiến thức, người nghiên cứu  khó có cơ hội được làm theo ‎ điều  ‎ mính muốn nhất là nghiên cứu những đề tài cộng đồng khoa học không chú ‎y‎ đến và cho là không thành công

(c) Nhân ḥa.  Ở Nichia, ông giám đốc  đồng ‎y ‎ bỏ tiền  trong việc nghiên cứu blue LED’s của GS Nakamura v́ ông biết GS Nakamura là người co tài. . Ông có cơ hội đi làm nghiên cứu ở University of Florida tại  Mỹ và khai phát trong lănh vực LED’s và LDs.

Quan niệm “nguy cơ”

Từ “Nguy cơ” góp lại từ  hai chữ Hán Việt “nguy”-nguy hiểm và “cơ”- cơ hội ; họp chung với nhau có nghĩa là khủng hoăng (tiếng Nhật gọi là kiki và tiếng Anh gọi là crisis).

(a) Từ “nguy”. Nói về trường họp của ông Nakamura, sau 10 năm làm việc ở Nichia với nhiều thành công về kỹ thuật nhưng không mang đến cho hăng lợi nhuận mong muốn. Ông đă chế tạo thành công tinh thể GaP, GaAs với phẩm chất tốt để dùng cho red và infrared LEDs.  Rồi bắt đầu từ năm 1985, hăng quyết định tham gia vào thị trường LED’s. Ông cũng đă tự chế tạo hệ thống liquid-phase epitaxy (LPE), phương pháp thường dùng để chế tạo màng mỏng  LED và sau một thời gian cố gằng nghiên cứu, ông đă thành công  trong việc chế tạo red  và infrared LED’s  bằng cách chế tạo gallium aluminium arsenide trên vật nền (substrate) GaAs. Phẩm chất của LEDs ông chế tạo tốt ngang hàng với sản phẩm của  Sanyo, Sharp, Stanley, Panasonic, Toshiba và những hăng khác tại Nhật. Lúc đó, ông đảm nhiệm “multi-task” vừa nghiên cứu khai phát, vừa làm công tác kinh doanh và vừa đi bán sản phẩm của ḿnh như một “saleman”.  Ông không bán được  nhiều v́ khách hàng không tin tưởng “chất lượng lâu dài/ stable quality” của sản phẩm từ một hăng nhỏ như Nichia.   Thất vọng với số tiền thu nhập dựa trên những sản phẩm này và với áp lực từ phía quản ly, ông đề nghị với ông “boss” của ông xin nghiên cứu về blue LED’s v́ ông nghĩ đây là “holy grail” của kỹ nghệ quang điện tử (optoelectronics) và sản phẩm đặc thù (nich products) cho những hăng như như Nichia . Lúc đó, người quản ly phụ  trách R&D  của ông  trả lời : “ bộ anh khùng sao?  Tất cả những hăng lớn và đại học chưa thể làm được chuyện này. Sao anh nghĩ anh có thể thực hiện được ở một hăng nhỏ như chúng ta?”. Không thuyết phục được boss của ḿnh, vào tháng 1 năm 1988, ông đi thẳng đến gặp  ông Nobuo Ogawa, CEO và là chủ hăng Nichia với danh sách một đề nghị : ông muốn $3.3 million  tiền nghiên cứu  về LED’s và một năm sang làm việc tại University of Florida để học về hệ thống  chế tạo màng mỏng MOCVD,  một kỹ thuật  chế tạo màng mỏng    có triễn vọng sản xuất các chất bán dẫn với phẩm lượng tốt dùng trong blue LED’s. Lần này ông quyết “liều một phen” v́ có thể ông sẽ bị thôi việc. Đây cũng là lần đầu tiên sau 10 năm v́ kể từ khi vào làm việc ở Nichia đến giờ, ông chỉ là một “yes man “ không bao giờ dám đ̣i hỏi điều ǵ về thiết bị, đề tài và tiền nghiên cứu cả. Ông sẵn sàng chấp nhận hậu quả của việc làm này ngay cả việc phải nghỉ hăng “I wanted to quit  Nichia. I didn’t  care about anything. It was OK for them to fire me. I was not afraid of anything”. Ông rất ngạc nhiên khi ông Ogawa đồng y ngay  ‎ ‎ với tất cả yêu cầu của ông có lẽ v́ ông Ogawa biết  GS  Nakamura là một nhà nghiên cứu có tài. Bây giờ mọi chuyện được như y,  ông Nakamura lại đối diện với một t́nh huống khác khó khăn hơn   có thể đưa đến sự thất bại về kỹ thuất.

Vào năm 1989, có hai chất bán dẫn có thể dùng trong việc chế tạo blue LED’s và LD’s : ZnSe và  group III nitride  . V́ chất ZnSe có rất ít defects (103/cm3  ), nên hầu hết các pḥng nghiên cứu  tại Nhật  và trên thế giới dồn năng lực vào  công tác nghiên cứu ZnSe cho việc khai thác sản phẩm cho hai linh kiện bán dẫn trên. Sự chú trọng càng tăng lên nhanh khi vào năm 1991, khi một  group ở 3M thành công trong việc chế tạo blue-green  LDs lần đầu tiên trên thế giới sau bao năm chờ đợi và đă thổi    một nguồn sinh khí mới cho cộng đồng chuyên môn [14,15] . Nhưng LDs dựa vào  ZnSe hoạt động tốt ở nhiệt độ liquid nitrogen và chỉ  phát tia sáng liên tục trong vài chục giây ở nhiệt độ pḥng ; Sony sau này triễn khai thêm và  LDs có thể hoạt động liên tục  trong 9 phút. Trong hoàn cảnh này. GS Nakamura chọn GaN (với defects khoảng 1010/cm3 )  v́ : (i) ông sợ sự cạnh tranh (nếu  chọn ZnSe) v́ ông ta nghĩ rất khó cạnh tranh trong việc khám phá  thành quả mới để phát biểu và ngay cả thành công cũng khó cạnh tranh với những hăng lớn trong việc chế tạo và thương mại hóa sản phậm LED’s và LDs như trong những trường hợp đă xảy ra  trong quá khứ với  Nichia ; (ii) GaAs, GaP đă được nghiên cứu nhiều tại Nhật [16] .  Trong niềm  “tuyệt vọng” [13] v́ bị dồn vào ngơ bí  và đối diện với thực trạng đang  làm ở một hăng nhỏ không có liên hệ với đại học, cơ quan nghiên cứu của chính phủ nào; ông đă chọn  đề tài nghiên cứu về GaN mà ngay cả chính ông nghĩ là không thể  thành công . Một ly‎ do nữa đưa ông đến sự chọn lựa này, mặc dù ông không nói rơ rệt và theo thiễn y của chúng tôi, là  y định muốn có bằng PhD và viết nhiều bài nghiên cứu  sau khi trở về Nhật từ Mỹ. V́ ít người  nghiên cứu GaN, nên cơ hội t́m những thành quả mới để viết bài phát biểu về đề tài này cũng dễ hơn. Chính ông đă xác nhận :”I desperately selected GaN to write papers. I never thought that I could invent blue LEDs, using GaN” [1]

 (b) Từ “cơ”. Ông tự khai phá chất group III nitride không dùng những phương pháp thông thường  (unconventional) . Điều trước tiên, ông mua một hệ thống MOCVD (metal organic chemical vapor deposition) bán trên thị  trường để chế tạo màng mỏng GaN. Nhưng hệ thống này chỉ có một ḍng chất khí (one gas flow) và khó có  thể  chế tạo màng mỏng trên vật nền. Ông tự  phát triễn một  hệ thống mới mà ông gọi là two-flow MOCVD dựa vào kinh nghiệm ông học được lúc ở University of Florida. Trong hê thống này, chất khí phản ứng (reactive gas) được thổi vào song song với substrate, kiềm chế được độ nhiệt đổi lưu lớn (large  thermal convection)  khi các tinh thể được tạo thành ở nhiệt độ 1.000 C. Với hệ thống này, ông có thể chế tạo tinh thể GaN với độ di động (mobility) 200, kỷ lục thế giới  lúc bấy giờ, mặc dù dislocation density vẫn c̣n cao, khoảng  1010 /cm3 [h́nh 11].

H́nh 11  : A two-flow MOCVD system [17]  

Với hệ thống two-flow MOCVD này, ông có thể chế tạo LEDs với độ chiếu sáng 100 lần cao hơn độ chiếu sáng của sản phẩm blue LED’s dựa trên SiC trên thị trường lúc bấy giờ và với lifetime từ 50.000 – 100.000 giờ. Ông đă làm một điều mà những người khác nghĩ là không thể nào khả thi được. Đúng là “Thời thế tạo anh hùng và anh hùng nổ lực để biến đổi thờ thế”.

Rời Nichia và chuyển sang University of California Santa Barbara (UCSB) để thực hiện “American dream”

Khi ông Yasuhiko Arakawa, trưởng biên tập của JSAPI, hỏi ông về ly‎ do ông sang Mỹ, GS Nakamura cho biết là ông không thích lối làm việc không trọng người tài của Nhật . GS Nakamura nói: “Another  reason was that in Japanese companies, no matter what you have accomplished, neither your position  or your salary  change very much … The workers are all treated more or less the same” [18].  Sau thời gian ở University of Florida, ông đă trải nghiệm được cái mà ông gọi “American freedom” và ông nhận thấy cơ hội tiến thân tốt hơn ở Mỹ . Nên sau khi xong công tác  khai thác thành công LED’s và LD’s, ông xin chuyển sang UCSB vào  năm 2000. Ban đầu ông không muốn đi vào đai học mà chỉ muốn đi vào kỹ nghệ, nhưng v́ sợ xung đột pháp l‎y với Nichia nếu ông làm trong kỹ nghệ, nên ông xin vào đại học.  Có hơn trên 10 trường đại học ở Mỹ và Âu châu và nhiều hăng xưởng muốn nhận ông với “offer that is hard to refuse”; nhưng sau cùng ông chọn UCSB có lẽ v́ nơi đây khí hậu hiền ḥa dễ chịu và cảnh sắc đẹp.  Hiện GS Nakamura  là giám đốc  của the Solid State Lighting and Display Center. Ông đang  chủ tŕ nhiều chương tŕnh nghiên cứu về nitride materials & devices.

Ước mơ lập hăng đă thành hiện thực:

Ông sáng lập hăng đầu tiên tên là Kaai sau đó đổi tên thành Soraa cùng với hai đồng nghiệp Steven Denbarrs  và James Speck của UCSB vào năm 2008. Hăng này được     Khosla Ventures và NEA tài trợ và có cơ sở tại  Silicon Valley và UCSB.

Vụ kiện Nakamura-Nichia nổi tiếng ở Nhật

Ngay sau khi GS  Nakamura  chuyển sang UCSB vào năm 2000, Nichia đă kiện ông về việc vi phạm “trade secret”. Đúng là “tránh vỏ dưa, gặp phải vỏ dừa”, tưởng rằng làm việc ở đại học được yên chuyện, ai ngờ! Bất măn và bực tức Nichia về vụ kiện này, năm 2001 ông kiện ngược lại (counter suit) Nichia v́ ở Nhật  có điều khoản là nhân viên được chia phần lợi về  những phát minh mang lại lợi nhuận [19].  Vào năm 2004, ṭa án vùng (district court) ra lệnh cho Nichia trả GS  Nakamura 188.7 triệu USD  [20], nhưng khi Nichia khiếu nại lên Ṭa án tối cao pháp viện (the supreme  court), số tiền này giảm xuống cón  8.1 triệu USD . Vụ kiện này không phải đặc thù. Trước đó có  “landmark case”  Olympus vs. Tanaka vào năm 2004 đă thay đổi lớn xă hội Nhật, nơi mà sự kiện cáo không thịnh hành. Trong vụ kiện này, ṭa án tối cao đă đồng ‎ cho phép nhân viên có quyền đ̣i hỏi được chia lợi nhuận với hăng trong việc buôn bán những sản phẩm dựa trên phát minh của người ấy mà không bị ràng buộc bởi  các hợp đồng và quy chế trong hăng “ The Supreme Court  made it clear that inventors can sue their companies for larger shares of the profits from a successful invention, irrespective of  employee agreements and internal rules.” [21]. Cũng xin ghi nhận ở đây là  từ năm 2006, luật về bằng sáng chế ở Nhật có tu chỉnh phần nào có lợi cho  các hăng xưởng bằng cách yêu cầu ṭa án phải tôn trọng các hợp đồng giữa hăng và nhân viên (employee agreements).

 

Ngoài ra chúng tôi c̣n có một số “cảm nghĩ bên lề” xin được mạn phép tŕnh bày cùng độc giả về trường họp của GS Nakamura:

Sức cố gắng phi thường, sự yêu thích điều ḿnh muốn làm và quan niệm độc lập trong nghiên cứu

Làm việc ở một hăng nhỏ không đủ nhân sự, tài chánh và thiết bị, GS Nakamura đă làm việc rất nhiều để hoàn thành những điều ông muốn thực hiện. Khi ở Mỹ, ông c̣n có cái biệt danh là “slave Nakamura” v́ ông làm việc 16 giờ một ngày, 7 ngày một tuần để lắp đặt  MOCVD, một hệ thống ông sẽ cần trong việc nghiên cứu LEDs khi ông trở về Nhật . Trong thời gian 10 năm đầu tiên ở Nichia, ông đọc sách, bài phát biểu khoa học, bằng sáng chế  liên quan đến ngành chuyên môn rất nhiều.  Nhựng sau đó ông quyết định không đọc nhiều sách, tài liệu phát biểu từ người khác . Ông nghĩ làm như thế chỉ “bắt chước” người ta mà thôi chớ không thể “sáng tạo” được. Ông  rất “handy” từ   những công việc từ lắp đặt,  bảo tŕ, chạy máy đến  phân tích . Ông tùy thuộc vào kết quả thí nghiệm  để  hoạch định bước đi kế tiếp của ḿnh .

Không nên tin tưởng nhiều ‎ kiến của chuyên gia

Có những người làm công tác khoa học thường đi theo khuynh hướng chung của mọi người và v́ thế đôi khi mất cơ hội t́m được điều  mới lạ. Một số không ít   những người gọi là “chuyên gia” lấy ‎y  kiến từ sách vở, hội nghị  và ít có “hands-on experience” về đề tài chuyên môn.  Thêm vào đó, ở  nhiều hăng xưởng, thành phần lănh đạo thường thích  “đi theo chiều gió”, nghe theo expert opinion và chọn hướng đi an toàn để sau này “rủi” thất bại vẫn c̣n ly‎ do để bào chửa.

Trở lại trường họp của GS Nakamura, các experts đều nghĩ nghiên cứu  GaN cho blue LED’s và LD’s là “nonsense” v́ bề mặt và góc cạnh  của vật liệu này rất “ragged” (gồ ghề). Ai ngờ đâu sau này ông t́m ra là tính chất “ragged” đă giúp GaN có một độ sáng tốt khác thường.

Lợi điểm của việc làm ở hăng nhỏ

Trong  trường họp của GS Nakamura  , làm hăng nhỏ không phải là điều không hay. Sau khi từ  Florida về, ông quyết tâm viết bài nghiên cứu để đăng báo. Khổ nỗi là ông Ogawa, CEO của Nichia không muốn nhân viên ông viết bài đăng báo hay  nói chuyện tại các hội nghị chuyên môn nhưng thích có nhiều bằng sáng chế cho hăng (vào thời điểm GS Nakamura vào làm ở hăng, Nichia đă có khoảng 200 bằng sáng chế !).  . Ông Nakamura, v́ thế, viết bài đăng trong những tạp chí chuyên môn cỡ “bậc trung (mediocre)” để  không ai trong hăng biết.. Chiến lược của ông là  viết  bài phát biểu và xin bằng sáng chế (patent applications) cùng một lúc càng nhiều càng tốt v́ hai lợi điểm sau : (i) viết bài phát biểu mà không có bằng sáng chế chỉ là làm “công dă tràng”; (ii) rủi bị phát hiện c̣n có cớ là đang xin bằng sáng chế. Khó khăn ở đây là tốn khoảng 3 ngàn USD để xin một bằng sáng chế nên không  được hăng chấp thuận. Bị  từ chối vài lần, ông mới nhờ một nhân viên trẻ copy mấy “patent applications” ông đang có và gửi đi  “ cứ làm thế đi, tôi sẽ chịu tất cả trách nhiệm về việc này”. V́ ông ở hăng trên 10 năm rồi, nên  nhân viên trẻ này nghe theo lời ông (the senority system in Japan worked nicely in this case!).     . Từ năm 1991 trở đi, trung b́nh mỗi năm GS Nakamura viết 5 bài báo cáo gửi đến các tạp chí chuyên môn và  20-30 patent applications (ngay cả ở những hăng lớn, nhân viên cũng khó có thể làm được như thế!), Hầu hết các bài viết của ông “thoát” được tầm mắt của những người hăng Nichia tuy nhiên  ông cũng bị “bắt gặp” vài lần v́ người bên ngoài Nichia điện thoại vào hỏi và ông hứa sẽ tuân theo  quy luật của hăng.  Nhưng rồi “chứng nào tật nấy”, ông vẫn âm thầm gửi bài  đăng báo Thế nhưng trong khoảng thời gian từ 1991 đến 1999, ông đă viết (authored hay co-authored) 146 bài báo, 6 quyển sách và 10 book chapters. Thực sự với lối làm việc “không theo quy luật” này, sau cùng Nichia cũng có lợi: Nichia làm chủ 68 bằng sáng chế tại Nhật và 13 bằng sáng chế tại Mỹ và nhiều sáng chế đang xin (pending applications) nữa. Với thành tích này, Univ. of Tokushima ban cho ông học vị PhD. It’s not bad for both parties  after all!.

Ngược lại ở những hăng lớn như 3M hay lớn hơn như Sony, cơ cấu chính trị trong hăng (corporate politics) và quan liêu (bureaucracy) đă có thể làm ngưng trệ cho sự phát triễn của blue LD’s dựa trên ZnSe như trong trường họp này. “Breakthrough” về ZnSe blue LD’s ở 3M vào năm 1991 đă tạo ra một momentum khá lớn cho cộng đồng đang khát khao Blue light technology sau nhiều  năm chờ đợi. Một năm trôi qua với hội nghị khoa học, hàng loạt khách thăm viếng từ nhiều nơi trên thế giới, ban lănh đạo của 3M vẫn chưa biết sẽ làm ǵ với phát minh này v́ 3M không phải là hăng làm chips. Rồi năm 1993, nhóm nghiên cứu  ở 3M vẫn chưa t́m được giải pháp để giữ blue LD’s tiếp tục phát quang sau hơn 3 phút ở nhiệt độ pḥng, chương tŕnh nghiên cứu bị đóng cửa và “mỗi đứa mỗi nơi”.  Trường hợp Sony cũng tương tự như vậy, nhóm nghiên cứu của hăng này có thể giữ ZnSe LD’s phát sáng khoảng 9 phút ở nhiệt độ pḥng và hy vọng có thể giải quyết vấn đề kỹ thuật  liên hệ để blue LD’s phát sáng lâu hơn. Ông Yoshifumi Mori, director of laser research của Sony lúc bấy giờ  tuyên bố là ông  rất lạc quan về triễn vọng  đưa ZnSe blue LD’s ra thị trường . Nhưng rồi với tiến bộ của nhóm Amazaki và  Nakamura trong việc chế tạo p-type GaN với chất lượng tốt (một trong những thành phần cơ  bản trong việc  chế tạo blue LDs), Sony “jump on the GaN bandwagon”. Ông Nakamura thú nhận “ my luck was I worked for a tiny company and nobody bothered me” [8].

 (Chú thích/TTN: Nên nhớ Nakamura gặp phải trường họp tương tự về GaN vào năm 1989 nhưng Nichia để ông tiếp tục theo đuổi giấc mơ của ông. Nếu thế cờ đặt ngược lại, có thể các nhóm ở 3M và Sony đă có sản phẩm blue LD’s   dựa trên ZnSe với lifetime khoảng 10.000 giờ vào thời điểm này!).

Vài  suy nghĩ về  hướng đi cho sinh viên và công tác giáo dục

Khổng Tử (551 BC- 479 BC)  có dạy “I hear  and I forget. I see and I remember.  I do and I understand”.

            (a) Làm việc ở các hăng “start-up”. Môt số sinh viên giỏi ở Mỹ sau khi tốt nghiệp thích đi làm việc ở những “start-up” để thực  hiện “American dream”.   D́ nhiên sự thiếu thốn phương tiện và tài chánh sẽ đ̣i hỏi sinh viên phải làm mọi chuyện từ A đến Z nhưng  chính v́ thế mà sinh viên có cơ hội học hỏi được nhiều kinh nghiệm từ  kỹ thuật  đến  kinh doanh . (Trường họp của  GS Nakamura, mặc dù ông đến làm ở Nichia  một cách miễn cưởng nhưng nói chung Nichia là một “start-up” từ năm 1956 ; và ông Nobuo Ogawa đă tạo lập  ra hăng này với tinh thần sáng tạo và thành công với lượng phosphor chiếm một nửa thị trường của thế giới hiện nay).

(b)   GS mở hăng “start-up”. Một số GS ở một số đại học Mỹ thường có

business riêng và dùng thiết bị và sinh viên để làm công tác nghiên cứu. Nếu thành công, hăng sẽ trả tiền “royalty” cho nhà trường về việc “license” bằng sáng chế và mướn sinh viên vào làm nhân viên. Hướng đi này có lợi cho trường, cho GS và cho sinh viên v́ mọi người đều có “động lực” để  làm  việc “hết ḿnh”.

(c) Cạnh tranh giữa các đai học. Các đại học ở Mỹ rất cạnh tranh với nhau trong

công tác giáo dục, xin tiền nghiên cứu, viết bài phát biểu và lấy bằng sáng chế. Một số lớn tiền thu nhập mỗi năm từ một số đại học lớn nhận từ bằng sáng chế. Mỗi trường có một số ngành nổi tiếng khác nhau. 

(d) Cần vài thay đổi ở đại học. Theo thiễn  nghĩ của chúng tôi, đại học   là nơi hun đúc óc  sáng tạo, khả năng suy nghĩ và phân tích, kiến thức cơ bản và tinh thần tuân theo quy luật. Đại học không phải là nơi để  giáo dục“từ chương”.  Cấp bằng đại học chỉ là bước đầu tiên và sự thành công sẽ tùy thuộc  rất nhiều vào khả năng và nổ lực của mỗi cá nhân sau này.  Nói chung th́ khoảng 10-20% kiến thức học ở đại học được dùng trong kỹ nghệ; c̣n lại các hăng xưởng sẽ huấn luyện trở lại nhân viên của họ để thích hợp với nhu cầu hiện có. Trường họp ở Mỹ,  kết quả thi cử và thu nhận sinh viên  vẫn c̣n tùy thuộc  rất nhiều vào SAT/ACT/GPA  (cho sinh viên trung học muốn vào đại học) và GRE & GPA  (cho sinh viên khoa học kỹ thuật muốn vào graduate schools). Theo kinh nghiệm của chúng tôi, sinh viên nào học “gạo” th́ phần lớn sẽ gặt hái được thành tích tốt  trong những kỳ thi này ; thế nên một số sinh viên có óc sáng tạo cao, khiếu phân tích tốt  có thể sẽ bị loại bỏ nếu  họ không học /hay “chịu” học hành “chăm chỉ” hay v́ họ bận rộn “vật lộn” với công việc mưu sinh hàng ngày. Vài năm trước, chúng tôi có một sinh viên thường hay đến lớp trễ  và đôi khi c̣n ngủ trong lớp nữa. Có một hôm hơi ṭ ṃ tôi mới hỏi : “bộ em thường đi làm thêm lắm phải không?”; cậu ta đáp : “ em phải hoàn thành cái robotics project mà em phải giao cho khách hàng tuần sau. Em có hăng riêng và khi nào thầy rănh  vào website của hăng em xem cho vui.” Những em như thế này làm  sao lấy điểm A trong kỳ thi mặc dù tôi biết em có rất nhiều kiến thức và thực lực về chuyên môn. Gần đây  tôi được biết sau khi tốt nghiệp, em ấy lên Cali. và hiện đang làm chủ một hăng nhỏ với 50 nhân viên ở vùng Silicon Valley.

Theo chiều hướng này, có thể  trước khi vào đại học, sinh viên phải trải qua một thời gian làm công tác kỹ thuật & khoa học để “quen với tay nghề’ và biết ḿnh muốn học ǵ trên đại học hay ở các trường cao đẳng.  Về cấp đại học, sinh viên sẽ dành năm cuối để làm đề án tốt nghiệp (senior project) như phần lớn các  đại học ở Mỹ hiện đang làm. Sinh viên nên có cơ hội tự ḿnh thiết kế/ lắp ráp và thực hiện project của ḿnh.  Nhờ vậy mà sinh viên mới có “hands-on experience” và có  thể  học hỏi được nhiều hơn nhất là trong lănh vực khoa học thực nghiệm. Ngoài ra, có “mess around” với sự vật, mới thấy thích điều ḿnh làm và óc sáng tạo sẽ bắt đầu manh nha. Về điều kiện nhận vào đại học hay cao học, song song với thành tích học, nhà trường cũng nên xét khả năng sáng tạo, óc phân tích và kinh nghiệm  “tay nghề” của sinh viên.

Cái lẽ vô thường của vạn vật:

Mạc vị xuân tàn hoa lạc tận
            Đ́nh tiền tạc dạ nhất chi mai

           (Chớ bảo xuân tàn hoa rụng hết
           Đêm qua sân trước một cành mai)

                               (Thiền sư Măn Giác)

Ngày xưa khi GS Nakamura phải ở lại làm việc cho hăng Nichia là một chuyện “bất đắt dĩ”, một cái “rủi”, nhưng ông đâu có ngờ vận mệnh đưa đẩy, việc này trở thành cái “may”. Trong ḍng “vô thường” hôm nay, chuyện “rủi may” đi đôi với nhau như h́nh với bóng. Trong cái khó khăn gần như tuyệt vọng chọn cho ḿnh một hướng nghiên cứu đi ngược lại với “common knowledge” của cộng đồng chuyên môn và cái cảm giác “bị khinh khi” khi trở về từ Mỹ v́ không có PhD và không có bài nghiên cứu; ông đă t́m ra cho ḿnh một “cành mai” và trong cái” thất vọng bao trùm”, có một mầm “hy vọng” vừa mới trổi mầm. Với  10 năm trong kỹ nghệ với cấp bằng MS, ngay cả cho đến năm 1989, ông chỉ là một “tên vô danh tiểu tốt” chưa biết viết bài báo khoa học, không đi hội nghị khoa học; mà ngay cả ông có đi chắc cũng ngồi một chỗ không ai “thèm điếm xỉa”. Rồi năm 1995, cả thế giới, nhất là  ở Nhật, kinh ngạc với cái tin GaN blue LDs phát sáng ở nhiệt độ trong pḥng từ Anan, một thành phố miền quê nước Nhật mà ngay cả nhiều người Nhật không biết. Bây giờ nhiều người muốn “làm quen” với ông v́ ông quá nổi tiếng. Ông đă  trở thành một “super star” . Những năm tháng khó khăn đă trôi qua như con gió thoảng…

Nói tóm lại sự thành công hiếm có của GSTS Shuji Nakamura về lănh vực blue LED’s và blue LD’s đă cho chúng ta một số đề  tài để suy ngẫm: (i) yêu thích điều ḿnh làm và không để  bị “cuốn theo chiều gió” theo những quan điểm và ‎ y kiến của experts; (ii) kiên tŕ làm việc hết sức ḿnh “mưu sự tại nhân và thành sự tại thiên”; (ii) khó khăn nào cũng có con đường vượt qua và đôi khi khó khăn này là “bàn đạp”  tốt   để con người nhảy xa và cao hơn trong những điều họ muốn làm.

Trong bài tháng tới, chúng tôi sẽ giới thiệu cấu tạo của blue LEDs và blue LDs và mối liên hệ của những  linh kiện bán dẫn này với công nghệ màng mỏng. 

 

Trần Trí Năng
(Univ. of Minnesota & Ecosolar International) 

 

*)  Lư do của cách gọi  mơ hồ này (blue green) v́ trong phổ điện từ (electromagnetic spectrum), green chấm  dứt ở 500 nm và blue bắt đầu ở 490 nm . Cái đỉnh (peak) của màu blue nằm ở 450 nm. Tia sáng GaN laser dùng ở dĩa blu-ray hay HD-DVD đúng ra là “blue- violet” với cái đỉnh ở  405 nm.

**) LED TV là một loại  LCD TV  khi LED’s  được dùng để thay thế cho standard fluorescent backlight. Loại TV này phần lớn rất mỏng, dùng ít power hơn, h́nh ảnh tốt  hơn và đắt hơn LCD TV. Mặc dù loại TV này được nhiều người biết năm rồi nhưng nó đă  xuất hiện trong nhiều tiệm bán đồ điện tử  từ năm 2007 bắt đầu với Samsung's LN-T4681F .
***) LED display là một loại display LED  thật với red, green và blue LEDs.
 

References

[1]  S. Nakamura:in a talk  to   high school students, 2007, CA

      S. Nakamura. Materials Science and Engineering B50 (1997) 277-284.

[2] http://stadium.dallascowboys.com/assets/pdf/mediaVideoBoardRelease.pdf

[3] T.T.Năng: Plasama trong việc chế tạo màng mỏng .

[4] J. Pankove et al. RCA Rev. 32, 383 (1971).

[5]  H. Amano et al. Appl. Phys. Lett. 48, 353 (1986)

[6] S. Nakamura : Jpn. J. Appl. Phys. 30, L1705 (1991).

[7] H. Amano et. Al. J. Lumin. 4041, 121 (1988).

[8] S. Nakamura et. Al. Jpn. J. Appl. Phys. 31, 1258 (1992).

[9] S. Nakamura et al. Jpn. J. Appl. Phys. 30, L1998 (1991), ibid. 34, L797 (1995)

[10] S. Nakamura et al. ibid. 35, L74 (1996)

[11] S. Nakamura et al. Ibid. 35, L217 (1996).

[12] S. Nakamura : ISAP International, vol.1, January 2000

[13] S. Nakamura: Commomorative lecture at the 21st Honda Prize awarding ceremony, Nov. 17, 2000. Tokyo.

[14] M. Haase et al. Appl. Phys. Lett. 63,25 Oct. 1993

[15] M. Haase et al. US patent 5,291,507..

[16] Opto & Laser Europe May 2002

[17] S. Nakamura et al. “Novel metaloorganic chemical vapor deposition system for GaN growth”, Applied Phys. Lett. 58, 2021 (1999).

[18] Y. Arakawa: JSAPI International  , No.2, July 2000.

[19] R. Taplin: Newsletter from Thomson Scientific, July 2007. Also http://www.scientific.thomson.com/newsletter 

[20]  http://www.compoundsemi.com/documents/articles/news/3692.html

[21]  Kyoto News và Nihon Keizai Shinbun, Jan. 12, 2005 . http://www.nytimes.com/2005/01/12/business/worldbusiness/12light.html