A series of articles on “Nobel Prizes in Science & Technology” - Part 1  

 

Giải Nobel Vật Lư 2014

 

Trần Trí Năng
 (University of Minnesota & Ecosolar International)

Giải thưởng Nobel chẳng những là vinh dư lớn cho cá nhân người lănh giải mà lại c̣n niềm hănh diện cho cộng đồng và là công cụ tuyên truyền hữu hiệu có lợi cho chính phủ, trường học, viện nghiên cứu , hăng xưởng trong việc phát triển sản phẩm, tuyển dụng người tài, củng cố thế lực và tăng lợi nhuận trên thương trường. V́ thế, hoạt động “lobby” cũng càng ngày càng trở nên khốc liệt hơn. “Lobby” người đề cử. “Lobby” hội viên chính có quyền quyết định của Hàn Lâm Viện Hoàng Gia về Khoa Học của Thụy Điễn hay Royal Swedish Academy of Sciences (xin gọi tắc là Hàn Lâm Viện Thụy Điễn-HLVT). Chỗ nào “lobby” được là người ta “lobby”! Và số tiền “đầu tư” vào công tác này không phải là ít. Về lănh vực khoa học và kỹ thuật, “những người được chọn nhận giải Nobel phần lớn đều có những đóng góp quan trọng trong lănh vực chuyên môn của họ; nhưng không phải ai đóng góp nhiều đều được có vinh dự này”. Cũng như những giải thưởng khác, việc được chọn nhận giải Nobel tùy thuộc vào nhiều yếu tố chẳng hạn như : công tŕnh & thành tích đóng góp, lănh vực đóng góp, thời điểm được chọn, thành phần hội viên có quyền quyết định của Hàn Lâm Viện Thụy Điển , người đứng ra đề cử, và yếu tố “may mắn” nữa. Nói chung, việc được chọn lựa để lănh giải thưởng Nobel là kết quả của sự phán đoán “chính xác” và điều may mắn đúng thời cơ. Đôi khi phần “may mắn” đóng vai tṛ c̣n then chốt hơn là phần ‘phán đoán chính xác”!

Tài liệu liên quan đến quá tŕnh chọn giải Nobel sẽ được giữ kín 50 năm từ ngày tuyển chọn người nhận giải và chỉ phát cho 3 người tối đa trong cùng một lănh vực và những người này hiện vẫn c̣n sống. Trong suốt lịch sử 110 năm của giải Nobel, có những trường hợp người đáng nhận giải Nobel lại không nhận được; điển h́nh là Mahatma Gandhi, được đề cử năm lần và lần cuối cùng vài ngày trước khi ông bị ám sát ; hay trường hợp của ông Mendeleev, người phát minh ra bảng Hóa Tri Tuần Hoàn . Mendeleev không được chọn v́ một hội viên không chấp nhận bảng Hóa Trị Tuần Hoàn; hay trường hợp giải Nobel Hóa Học năm 1944 trao cho ông Otto Haln , người cộng tác với bà Lise Meitner trong phát minh phân hạch nguyên tử (nuclear fission), trong khi đó chính cá nhân bà lại bị từ chối v́ bà là người gốc Do Thái. Và gần đây nhất là giải Nobel về y khoa năm 2008 về thuốc HPV; và sau này cộng đồng khoa học mới biết được là hai người trong năm hội viên chính có quyền quyết định trong HLVT là thành viên của Hội đồng quản trị của hăng Astra- Zeneca, nơi chế tạo HPV. Theo truyền thống, giải Nobel về khoa học và kỹ thuật dành cho những phát minh có tầm đóng góp quan trọng lớn trong sự phát triển và thịnh vượng của xă hội loại người. Trong chiều hướng này, những người phát minh sẽ nhận giải và những người hoàn thiện phát minh thành sản phẩm sẽ không được hân hạnh này. Thế nên, thường phải đợi ít nhất vài chục năm sau khi phát minh ra đời để xem ảnh hưởng của phát minh này như thế nào trước khi được chọn . Tiêu chuẩn để chọn người lănh giải Nobel càng ngày càng mơ hồ , mâu thuẫn với nhau và đôi khi trở nên “chọn lựa tùy tiện” của các Hội Viên thuộc Hàn Lâm Viên Khoa học Thụy Điển. Họ trích dẫn công trạng đóng góp trong 21 chữ hay ít hơn để phù họp với việc chọn lựa này. Một khi người nhận giải thưởng được chọn rồi, th́ sự phản đối của cộng đồng khoa học và “người trong cuộc” trở thành vô ‎y nghĩa; và có vẻ “tranh dành , nhỏ mọn, khó coi”. Bài viết này mở đầu cho một số “câu chuyện bên lề” về giải Nobel trong phạm vi khoa học và kỹ thuật. Trong số này, người viết xin mạn đàm về giải thưởng vật lư về đèn LED năm 2014; một trong 3 người được chọn là GS. Shuji Nakamura, người mà chúng tôi đă dự đoán sẽ nhận giải Nobel trong một bài viết đăng trong ERCT khoảng một năm trước đó vào tháng 4, 2013 [1] .

1. Câu chuyện bên lề

Vào cuối tháng 10 năm 2014 trong lúc thăm viếng và phụ trách “Khóa học chuyên đề về công nghệ MEMS và màng mỏng” tại Đại học Khoa Học Tư Nhiên, Việt Nam, người viết nghe một số đồng nghiệp bàn tán xôn xao về việc GS GS Shuji Nakamura( Univ. California, Santa Barbara) cùng hai đồng nghiệp được chọn nhận giải Nobel vật lư về đèn LED. Về lại Mỹ được vài hôm một sinh viên trong nhóm du học sinh điện thoại trước để thăm và sau cho chúng tôi biết địa chỉ mới của em ấy. Em này học cấp đại học ở Univ. of Minnesota và được nhận vào chương tŕnh PhD ở Univ. of Illinois at Urbana- Champaign (gọi tắc là UIUC) , nơi GS Nick Holonyak Jr., người phát minh ra đèn LED cho ánh sáng nh́n thấy hiện đang làm việc. Em ấy cho biết ở UIUC , người ta cùng thảo luận sôi nổi về “lư do tại sao GS . Holonyak không nhận được giải Noebl về LED mặc dù ông đă được nhiều người trong cộng đồng khoa học đề cử vài lần?”. Tôi cũng không biết trả lời sao cho hợp lư v́ theo truyền thống giải Nobel về vật lư dành cho người phát minh chớ ít khi cho người hoàn thiện thành sản phẩm đưa ra thị trường. Lại càng ít hơn là trường hợp người đưa sản phẩm được nhận giải mà người phát minh lại không. Sự kiện này khiến tôi ṭ ṃ hơn và càng t́m ṭi chúng tôi lại càng thấy tiêu chuẩn phát giải Nobel càng ngày càng “mơ hồ” hơn. Và đây cũng là lư do chúng tôi muốn viết một số bài để chia xẻ những điều ḿnh học hỏi được với quư bạn đọc về đề tài này.

2. Quá tŕnh chọn người lănh giải Nobel về Vật Lư [2]

HLVT có năm hội viên chính có quyền quyết định và một số hội viên phụ. Những người sau đây có “đủ uy tín” để đề cử ứng viên: hội viên HLVT; hội viên Hội Đồng giải Nobel về Vật Lư (Nobel Committee for Physics); những người đă lănh giải Nobel về vật lư; giáo sư ở các đại học và trung tâm nghiên cứu ở Thụy Điển, Đan Mạch, Phần Lan , Iceland, Norway và Karolinska Institute ở Stockholm- Thụy Điển; đại diện của ít nhất 6 dại học chọn bởi HLVT; và những người HLVT mời đề cử. Lịch tŕnh chọn lựa : gửi thư đề cử (từ tháng 9 – thàng 2 năm sau); tham khảo y ‎ kiến chuyên gia (tháng ba- tháng năm); viết bản báo cáo (tháng 6- tháng 8); hội đồng đề cử ứng viên (tháng 9) ; chọn người nhận giải (tháng 10) và phát giải Nobel về Vật lư (tháng 12).

3. Trích dẫn công trạng người nhận giải Nobel Vật lư 2014

GS. Isamu Akasaki (Meijo Univ.), GS Hiroshi Amano (Nagoya Univ. ) và GS Shuji Nakamura (Univ. California, Santa Barbara) được Hàn Lâm Viện Thụy Điển chọn nhận giải Nobel vật lư năm 2014 về đèn LED với citation: “for the invention of efficient blue light-emitting diodes which has enabled bright and energy-saving white light sources.”
Như vậy ba vị giáo sư này được giải Nobel v́ đă phát minh đèn blue LED có hiệu xuất tốt và một nguồn ánh sáng trắng sáng dựa trên đèn LED này và tiết kiệm được năng lượng. Chiều hướng chọn lựa cũng đă khác với tiêu chuẩn chọn lựa truyền thống là giải thưởng trao cho người hoàn thiện phát minh mà không cho người phát minh, ngay cả không “đá động” ǵ đến công tŕnh đóng góp về LED của GS Holonyak và những nhà nghiên cứu khác. HLVT c̣n nói “ lịch sử của blue LED vừa mới tṛn 20 tuổi”; thực ra “lịch sử có từ 1960” và bắt nguồn từ RCA- New Jersey (Mỹ) chớ không phải từ Nhật.

     

H́nh 1. Ba nhà khoa học lănh giải Nobel vật lư năm 2014 về đèn LEDs :
Isamu Akasaki (Meijo Univ.), Shuji Nakamura (UCSB) và Hiroshi Amano (Nagoya Univ.)

4. Lịch sử về Light Emitting Diode (LED)

4-1 LEDs là nguồn năng lượng ánh sáng tốt

So với đèn nung sáng (incandescent light bulb) theo kiểu Thomas Edison, đèn huỳnh quang thu gọn (compact fluorescent CFL) tiết kiệm nhiều cho khách hàng và giảm thiểu được lượng carbon dioxide có thể gây ô nhiễm môi trường. Theo nghiên cứu thị trường , đèn LEDs dần dần sẽ thay thế đèn CFL dựa vào những lợi điểm sau : (i) tiết kiệm 50-70% năng lượng và con số này có thể lên đến 90 % tùy theo ứng dụng và nếu dùng thêm bộ phận điều chỉnh “smart”, (ii) xài lâu hơn (100.000 giờ so với 1.000-10.000 giờ của các loại bóng đèn khác) ; (iii) không gây ô nhiễm thủy ngân; (iv) đa dạng về màu sắc, nhỏ hơn về h́nh dạng ; (v) không sinh ra nhiều nhiệt ; (vi) triển vọng có hiệu suất phát sáng cao hơn; và (vii) mang lại nhiều lợi ích xă hội . Với sự điều chỉnh về màu sắc, cường độ và góc hướng ánh sáng, LEDs có thể điều hợp để thích ứng với hoàn cảnh đèn đang dùng . Hiện tại kỹ nghệ LEDs đối diện với những yếu điểm : (i) đèn LEDs vẫn c̣n đắt hơn CFL nhưng giống như những linh kiện bán dẫn khác trong quá khứ, giá thành sẽ rẻ hơn trong tương lai khoảng 15-20 % mỗi năm do hiệu suất sản lượng cao (high yield) và lượng sản xuất lớn; (ii) phí tổn ban đầu cao. Theo tài liệu của Bộ Năng Lượng Mỹ (US Dept. of Energy), phí tổn ban đầu để sản xuất LEDs có cùng lượng ánh sáng tốn khoảng 12 lần đắt hơn phí tổn sản xuất đèn incandescence 60 W và ba lần nhiều hơn phí tổn sản xuất CFL; và (iii) yếu điểm chính của LEDs manh nha từ lợi điểm dùng lâu dài của loại đèn này; có thể dẫn đến lượng tiêu thụ ít hơn lượng các hăng sản xuất mong muốn. Một điểm nữa đáng khích lệ và cũng quan trọng không kém là chính phủ của nhiều nước, đặc biệt ở Á Châu đă có chính sách khuyến khích và tài trợ một phần tiền tiêu thụ đèn LEDs , thí dụ như : chính phủ Nhật dự định thực hiện tiêu chuẩn dùng LEDs 50% tổng số lượng đèn dùng trong việc thắp sáng; trong khi đó chính phủ Nam Hàn và Trung Quốc có mục tiêu dùng LEDs theo thứ tự 30 % và 20 % tổng số đèn thắp sáng vào năm 2015.

4-2 Thế nào là nguồn ánh sáng màu trắng

Nguồn ánh sáng màu trắng (white light source) là phát minh mà HLVT đề cập đến khi quyết định trao giải Nobel cho Akasaki, Nakamura và Amano thực sự dựa vào đèn blue GaN LED hay ultraviolet GaN LED kết họp với lớp phosphor, như có thể diễn tả ở H́nh 2. Đèn LEDs màu trắng có thể thực hiện với ba phương pháp biểu hiện ((H́nh 2a): hoặc dùng LED’s với ba màu đỏ (red) , xanh lá cây (green) và xanh blue (blue); hoặc ultraviolet GaN LEDs với phosphors; hay blue GaN LEDs với green & red phosphors Nh́n từ khía cạnh quang phổ, cả ba đều cho màu trắng (H́nh 2b). Trong ba phương pháp này, phương pháp thứ ba rẻ nhất và có một độ sáng 105 lumens (lm)/W trong pḥng thí nghiệm vào năm 2005. Cũng xin ghi nhận ở đây là vào năm 2007, nhóm nghiên cứu của GS Nakamura ở University of California, Santa Barbara đă đạt được độ sáng 150 lm/W; con số này chẳng những cao hơn đèn fluorescent mà c̣n vượt cả đèn metal halide [3].

H́nh 2a: Ba phương pháp tạo đèn LEDs màu trắng [3]

 

          (a)                      (b)                       (c)

H́nh 2b: Quang phổ màu trắng đạt được từ ba phương pháp khác nhau ở h́nh 2a:

(a) LED’s với ba màu red , green and blue;
(b) ultraviolet GaN LEDs với phosphors ;
và (c) blue GaN LEDs với green & red phosphors

 

4-3 Sự phát triển của đèn LED trong ṿng 40 năm qua

Nakamura tŕnh bày sự phát triển của LED trong ṿng 40 năm qua [H́nh 3], chú trọng đến các hoạt động sau năm 1980 với các màu đỏ, da cam, xanh lá cây và xanh blue. Công tŕnh ban đầu về đèn LED màu đỏ của Holonyak vào năm 1962 và blue GaN LED của Maruska vào năm 1972 không thấy đề cập đến có lẽ v́ hiệu suất của các đèn này thấp.

 

H́nh 3: Tiến bộ của GaN LED và những đèn LEDs khác trong ṿng 40 năm qua.
 

Vào năm 2007, nhóm nghiên cứu của GS Nakamura ở UCSB đă đạt được độ sáng 150 lm/W trong pḥng thí nghiệm (Nakamura, [4,5])

 

Có hai câu hỏi xin được đặt ra ở đây là

(i) nếu nói một cách tổng quát th́ “ai thực sự phát minh LED?”

Có phải Henry Round hay Guglielmo Marconi khám phá những đóm sáng từ chất silicon carbide vào khoảng 1907 hay nhà khoa học Nga Oleg Losev về lư luận SiC có thể phát quang vào năm 1920?. Hay James R. Biard và Gary Pittman, trong lúc làm việc ở TI (Texas Instruments) vào năm 1962, xin bằng sáng chế về việc thiết kế GaAs diode có thể phát ra tia hồng ngoại (infrared light)?. Phát minh về tia hồng ngoại có giá trị lớn về phương diện kỹ thuật v́ nguồn sáng này có thể dùng trong fiber-optic cables sau này. Hay phát minh về đèn LED có thể phát ra tia sáng mắt thường nh́n thấy được (màu đỏ) của Nick Holonyak Jr. lúc ông này làm việc ở General Electric vào năm 1962?

(ii) c̣n nếu nói một cách hạn hẹp hơn liên quan đến “citation” của HLVT th́ “ai thự sự phát minh đèn blue GaN LED?”Có phải Herb Maruska và nhóm nghiên cứu ở RCA vào năm 1972 hay Nakamura, Akasaki và Amano vào năm 1992?

Muốn rơ hơn về nguyên lư hoạt động của LED, xin qu‎ư độc giả tham khảo bài viết của cùng tác giả trong ERCT : http://www.erct.com/2-ThoVan/TTriNang/LEDS-PART-2.htm

 

4-4 Nick Holonyak Jr.

GS Nick Holonyak Jr. [H́nh 4] của University of Illinois at Urbana -Champaign (UIUC) phát minh đèn LED với ánh sáng nh́n thấy (màu đỏ) lần đầu tiên vào năm 1962 khi ông làm việc ở General Electric, Syracuse, New York. Kỹ thuật về LEDs tiếp tục cải tiến và nhiều năm sau GE chế tạo đèn LED có công xuất 100 W – tương đương với đèn incandescent light bulb- và tiêu thụ khoảng 2/3 năng lượng ít hơn. Sau đó, Holonyak rời GE về dạy UIUC (trường ông nhận PhD và GS hướng dẫn là John Bardeen- người lănh giải Nobel hai lần về Vật lư [6]) và tiếp tục nghiên cứu về đèn LEDs. Có nhiều người cùng nghiên cứu chung với ông ở UIUC, đáng kể nhất là George Cradford, mở đầu cho một số sản phẩm LEDs màu cam, đỏ và xanh với độ sáng cao (chỉ thiếu màu xanh blue thôi!). Sau khi rời UIUC, Cradford tiếp tục nghiên cứu ở Monsanto và chế tạo sản phẩm LED đầu tiên trên thị trường. Một thời gian sau, Cradford đổi sang làm việc ở Hewlett- Packard (HP). Vào năm 1987, AlGaAs LEDs sản xuất bởi HP đủ sáng để thay thế bóng đèn dùng trong thắng xe hơi và những áp dụng khác như đng hồ, tín hiệu giao thông và hiển thị điện tử (electronic displays). Đèn LEDs dựa trên AlInGaP chế tạo vào năm 1990 cung cấp độ sáng gấp đôi AlGaAs. HP cũng đă thành công với GaP, đầu tiên là bright green LEDs vào năm 1993, và một năm sau đó với reddish – orange AlInGaP LEDs .Với thành côn gđi từ phát minh đến sản phẩm này, Nick Holonyak, Jr. được cộng đồng khoa học công nhận là người cha đẻ của đèn LED. Nhiều năm, giới khoa học đă đề cử Holonyak cho giải Nobel vật lư về LEDs.

       

H́nh 4 : (a): Nick Holonyak Jr ở UIUC (tài liệu từ  Tom Roberts/The News-Gazette/AP)

và (b) Lúc c̣n làm việc ở GE vào năm 1962 :

Nick Holonyak (with glasses in the front) and his GE technical support team.
In back from left to right: B. Hess (technician); S. Bevacqua (lab technician);
F. Carranti (technician); C. Bielan (chemist); S. Lubowski (electronic technician).

 

4-5 Maruska và GaN blue LED

Người đầu tiên chế tạo thành công đèn LED màu xanh blue dựa trên GaN (hay blue GaN LED) là TS. Herb Maruska vào năm 1972 [H́nh 5] lúc ông c̣n là một nhà nghiên cứu trẻ làm việc ở David Sarnoff Research Center thuộc hăng RCA ở New Jersey. Đơn kết tinh GaN được chế tạo, dùng phương pháp Halide Vapor Phase Epitaxy với hydrogen chloride phản ứng với kim loại ở nhiệt độ cao tạo ra khí metal chloride; rồi chất khí này phản ứng với khí ammonia tạo thành một lớp màng mỏng trên tấm nền. Hiệu xuất của đèn GaN LED màu xanh blue lúc đó rất thấp v́ nhiều độ khiếm khuyết (defects)..

Tháng 11 năm 1969, Maruska cùng James Tietjen (giám đốc của pḥng nghiên cứu) viết một bài báo cáo về việc chế tạo thành công GaN đơn kết tinh.Bài viết này đă gây dư luận bàn cải trong cộng đồng khoa học lúc bấy giờ và những hăng như Bell Labs và Philips bắt đầu nghiên cứu về vật liệu bán dẫn này. Một số nhà nghiên cứu (nổi tiếng sau này) như GS Jacques Pankove và TS Edward Miller cũng được tuyển chọn vào làm việc ở RCA. Vần đề cả nhóm gặp phải khó khăn là nhóm chỉ có thể chế tạo GaN thuộc dạng n-type mà không thể chế tạo p-type v́ chưa t́m được chất dopant thích họp. T́nh trạng này kéo dài đến năm 1971 và cả nhóm quyết định bài bỏ công tác truy cầu chế tạo đèn blue GaN LED bằng cấu trúc. p-n mà chỉ dùng cấu trúc metal- semiconductor (MIS). Câu trúc này gồm có N-type GaN nằm ở giữa (h́nh bánh sandwich) hai lớp : GaN dped với Zinc ở phía trên và một lớp indium nằm phía dưới. Maruska đi học PhD ở Stanford nhưng vẫn tiếp tục làm việc ở RCA và vẫn tiếp tục nghiên cứu về blue GaN LED. Vào năm 1972, Herb Maruska và Walley Rhines, một sinh viên PhD khác ở Stanford, có thể chế tạo blue-violet LED từ magnesium-doped GaN (p-type) . Vào ngày 7 tháng 7 năm 1972, Stanford University gửi xin bằng sáng chế về phương pháp chế tạo p-type GaN với Maruska và Rhines là người phát minh và bằng sáng chế này chính thức ra đời vào ngày 25 tháng 6 năm 1974 [7-8] .

Tin này rất phấn khởi cho nhóm LED ở RCA. Nhưng rồi, “người muốn mà trời không muốn”, khủng hoảng nôi bộ xảy ra khi Sarnoff chết và con ông Robert lên cầm đầu. Ông Robert muốn RCA trở thành hăng đầu táu trong lănh vực computers. Và nghiên cứu đèn LED chính thức chấm dứt vào năm 1974. Và Maruska cũng bị sa thải. Sau này Maruska có nói” tôi tin chắc là sẽ không mất bao lâu trước khi tôi có thể mang công tác nghiên cứu và chế tạo đèn blue GaN LED trở lại đúng hướng / I’m sure it wouldn’t have been long before i would have gotten a bright blue LED right on the track” .

       

H́nh 5. (a) Herb Maruska Maruska as a young man, 1968.
(b) Đèn blue GaN LED do Maruska chế tạo vào năm 1972.

Năm 1972, ngay lúc chương tŕnh nghiên cứu về đèn blue LED sắp đi vào thời kỳ chấm dứt th́ Isamu Akasaki (lúc đó làm việc ở Nagoya University) biêt được nghiên cứu về GaN (gallium nitride” từ Jacques Pankove (RCA) và có đi thăm RCA ở Princeton – New Jersey_ để t́m hiểu về nghiên cứu của nhóm về GaN. Akasaki và sinh viên của ông Amano tiếp tục công tác nghiên cứu về blue GaN LED mà RCA bỏ lại , và sau cùng tạo ra đèn blue GaN LED vào năm 1989. Maruska thuật lại : “ một hôm tôi đang ở trong pḥng khách sạn vào năm 1990, và nghe có tiểng gơ cửa. Mở cửa ra, tôi thấy Akasaki đứng bên ngoài. Ông ta rọi đèn blue LED vào mắt tôi và nói “ông xem thử cái này nè” Và tôi la lên với phấn khởi “ Đây chính là blue LED!”. Akasaki đáp lại ” đúng vậy!” rối biến mất về phía hành lang.

 

4-6 Nakamura, Akasaki , Amano và blue GaN LED

Gi đổi câu chuyện sang bên kia bờ Thái B́nh Dương: Song song với nghiên cứu blue GaN LED mà nhóm Isamu Amasaki bắt đầu vào năm 1972; vào năm 1988, Shuji Nakamura của một hăng nhỏ tên là Nichia cũng bắt đầu nghiên cứu một cách độc lập về blue GaN LED. Nhóm Akasaki lúc đầu chế tạo GaN dùng phương pháp Chùm Phân Tử Epitaxy (Molecular Beam Epitaxy hay MBE) nhưng sau này đổi sang dùng phương pháp Ngưng Đọng Hơi Hóa Hoc Metalo-Organo (Metalo- organic chemical vapor deposition hay MOCVD). Hai đóng góp chính của Amasaki và Amano là chế tạo (i) p-type GaN và (ii) chế tạo lớp đệm (buffer layer). Blue GaN LED với P-N cấu trúc của nhóm Akasaki hiệu xuất c̣n thấp v́ độ khiếm khuyết c̣n cao. Và chính Nakamura và nhóm ông ở Nichia đă cải thiện phương pháp chế tạo và đưa sản phẩm hàng loạt ra thị trường bắt đầu từ năm 1993 và cũng đưa ra nguồn ánh sáng trắng đầu tiên [4,5].
Phương pháp của nhóm Amasaki cũng gặp phải it nhất hai vấn đề cần phải giải quyết để có thể thành công trong việc chế tạo GaN LEDs: (i) phương pháp chế tạo p-type GaN không thích họp với quá tŕnh chế tạo sản phẩm (ii) nhiệt đổi lưu (thermal convection) ở nhiệt độ sinh trưởng màng mỏng cao (khoảng 1.000C) v́ dùng phương pháp MOCVD.

Chi tiết là như thế này:

Đầu năm 1990, một sinh viên trong pḥng nghiên cứu của GS Isamu Akasaki (lúc đó ông là GS ở Nagoya University) đă t́nh cờ khám phá ra việc tạo ra p-type GaN với chất lượng tốt dùng phương pháp chiếu xạ Mg-doped GaN với tia điện tử (electron beam irradiation) từ kính hiển vi điện tử [9] (cùng một chất dopant cho p-type GaN mà Maruska & Rheines đă khám phá ra vào năm 1972). Tuy nhiên phương pháp chế tạo này không thích hợp trong việc sản xuất hàng loạt và cơ cấu vật lư 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 nhiều 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 nhóm ông Nakamura là annealing Mg doped GaN trong một môi trường khí nitơ sạch ở 400 C hay cao hơn và thành công trong việc chế tạo p-type GaN với chất lượng tốt – một phần do sự thụ động hóa bằng hydrogen (hydrogen passivation) [10-11]. Kết quả nghiên cứu này đưa đến sự thành công trong việc thương mại hóa blue GaN LED’s [12] 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 6). 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 mật độ khiếm khuyết trong InGaN

4-7 Nhóm Nakamura và LED với ánh sáng trắng (white LED)

Vào cuối thập niên 80’s, Nichia là một hăng nhỏ, nhưng có “một môi trường sinh động cho sự phát minh/ hotbed innovation” và cuối cùng đưa đến sự thành công sản phẩm white LEDs. Vài thí dụ như: (i) .Yoshinori Shimizu đă khám phá YAG phosphors có thể chịu đựng lâu dài trong môi trường LED (nên nhớ Nichia là một hăng sản xuất phosphor chiếm gần nửa sản lượng lớn trên thế giớ!); (ii) .Yasunobu Noguchi khai thác thành công YAG phosphor có thể biến đổi hữu hiệu ánh sáng xanh blue thành ánh sáng màu vàng ; (iii) Kensho Sakano kết hơp phosphor của Noguchi với blue GaN LED tạo thành LED với ánh sáng màu trắng và (iv) vào cuối tháng 9 năm 1991, Naruhito Iwasa khám phá một phương pháp thêm Zn + Si vào Mg-doped p- type GaN khi chất này được nung nóng trên 600 C; kết quả là vào năm 1993, Nichi bắt đầu tung ra thị trường blue GaN LEDs khoảng 100 lần sáng hơn SiC LEDs của Creek.

H́nh 6 : A two-flow MOCVD system [13]

 

5. Thay lời kết

 

Khi kể công trạng của Nakamura, Amasaki và Amano để trao giải Nobel, HLVT đă thu hẹp lại trong lănh vực ứng dụng của đèn blue GaN LED như nguồn năng lượng trắng, người viết cảm thấy HLVT đă quyết định thiếu chính xác và đă “điều chỉnh citation” cho phù hợp với quyết định của họ, nhất là khi không đề cập ǵ đến Holonyak và Maruska.. Dĩ nhiên quyết định nào cũng không thể hoàn hảo được, nhưng người viết cảm thấy trong trường hợp này quyết định của HLVT có thể bị ảnh hưởng nhiều bởi nhiều áp lực bên ngoài. Holonyak, Nakamura, Akasaki th́ được cộng đồng khoa học trong và ngoài nước biết với nhiều giải thưởng lớn trước đó “lót đường” cho việc lănh giải Nobel; trong khi đó những người như Maruska th́ khác. Maruska th́ bị yếu thế hơn nhiều v́ ông không phải là “big name” và đă rời nghiên cứu LED từ năm 1974 sau khi RCA sa thải ông, nên ít người biết đến và những người biết đến lại không đủ “uy tín” để được mời đề cử. Dựa theo lịch tŕnh phát triển của đèn LED, Nick Holonyal là người phát minh ra đèn LED cho ánh sáng thấy được (màu đỏ) vào năm 1962 mở đầu cho những sản phẩm dùng trong kỹ nghệ sau này; Herb Maruska phát minh blue GaN LED và cùng với Rhines đưa ra phương pháp chế tạo p-type GaN bằng cách dùng chất magnesium như dopant vào năm 1972 mà Akasaki và Nakamura dùng sau này; Shuji Nakamura đă thành công trong việc hoàn thiện phương pháp chế tạo dưa ra hàng loạt sản phẩm đèn LEDs kể cả LED với ánh sáng trắng ra thị trường. Akasaki và Amano tiếp tục chương tŕnh nghiên cứu LED mà nhóm Maruska bỏ lại và cải thiện phương pháp chế tạo với một lớp đệm, p-type GaN và phương pháp chế tạo màng mỏng MOCVD. Nếu theo tiêu chuẩn truyền thống th́ người nhận giải thưởng sẽ là Nick Holonyak Jr. nếu nói về LED (một cách bao quát hơn) hay Herb Maruska nếu nói về blue GaN LED (một cách hạn hẹp hơn); hoặc Shuji Nakamura cùng với hoặc Holonyak hay Maruska hay cùng cả hai nếu kể người phát minh và người có công trong việc hoàn thiện phương pháp chế tạo LED để trở thành sản phẩm. Người viết nhận thấy chọn lựa thứ ba là hợp lư nhất.
Trường hợp của LED không phải là trường hợp duy nhất ; nhiều trường họp tương tự cũng xảy ra trước đó và đôi khi người viết tự hỏi HLVT có tiêu chuẩn rơ rệt trong việc chọn lựa người lănh giải Nobel trong lănh vục khoa học và kỹ thuật không hay chỉ quyết định chọn lựa theo chiêu hướng chung của những người đề cử và “áp lưc” từ những thế lực bên ngoài?
 

Đây là câu chuyện “cuối tuần” hôm nay!

 

4. Tài liệu tham khảo

[1] http ://www.erct.com/2-ThoVan/TTriNang/Hienthuong-Nakamura.htm 

[2] http://www.nobelprize.org/nomination/physics/

[3] Tài liệu từ UCSB và http://www.lempteck.co.uk/
[4] S. Nakamura.
Bài nói chuyện với high school students , California, 2007

[5] S. Nakamura, Science, 281, 956-961, 1998

[6] http://www.erct.com/2-ThoVan/TTriNang/Silicon-Valley-1-Bell-Labs.htm 

[7] http://spectrum.ieee.org/tech-talk/geek-life/history/rcas-forgotten-work-on-the-blue-led
[8]
http://semiengineering.com/who-really-invented-the-blue-led/
[9]
Business Week, August, 25, 1997.
[10] Nakamura, Science, 281, (1998), 956; IEEE, Circuits and Devices, May, 19 (1995).
[11] S. Nakamura: Appl. Phys. Lett. 58 (1999) 2021.
[12] S. Nakamura et. Al. Jpn. J. Appl. Phys. 31, 1258 (1992).
[13] S. Nakamura et al. “Novel metaloorganic chemical vapor deposition system for GaN growth”, Applied Phys. Lett. 58, 2021 (1999).