A series of articles on “Nobel Prizes in Science & Technology” - Part 2  

Robert Noyce: Hai lần “hụt” giải Nobel về vật lư

Trần Trí Năng
 (University of Minnesota & Ecosolar International)

 

Nói về kỹ nghệ vi mạch điện tử và vùng Silicon Valley th́ ít ai trong cộng đồng khoa học và kỹ thuật chưa từng nghe tên Robert Noyce, người đă cùng với Gordon Moore sáng lập ra Intel, hăng chế tạo chip  điện tử lớn nhất thế giới. Ngoài khả năng chuyên môn với những phát minh lớn như vi mạch tiếp hợp, tunnel diode và  microprocessor , Noyce c̣n là một nhà kinh doanh giỏi và đă từng làm “mentor” cho nhiều nhà kinh doanh thành công, trong số đó có Steve Jobs. Nhưng có điều trớ trêu là Noyce  h́nh như không có “duyên” với giải Nobel?! Trong lịch sử khoa học và kỹ thuật, nếu John Bardeen là người đă lănh hai giải Nobel về vật lư th́ ngược lại Robert Noyce đă hai lần mất cơ hội được giải Nobel về cùng ngành vật ly: Nobel 2000 với Jack Kilby về vi mạch tích hợp IC (v́ ông mất trước đó) và Nobel 1973 với Leo Esaki về tunnel diode (v́ người lănh đạo không đồng y cho ông phát biểu hiện tượng này).  

 

Từ khóa: Integrated circuits, tunnel diode, microprocessor, Robert Noyce, Jack Kilby, Fairchild Semiconductor, Jean Hoerni, Ted Hoff, thermal oxidation, diffusion technology, photolithography, Leo Esaki., M. Atall, William Shockley.

 

1. Câu chuyện bên lề

Một trong những điều chúng tôi thích nhất ở tiếu bang Minnesota này là sự tuần hoàn  của bốn mùa rất rơ rệt. Mỗi năm cứ sau Lễ Lao Động và vào ngày tựu trường là mùa thu lại trở về. Sau khi uống xong ly trà “đậm”, chúng tôi thường chạy dọc theo bờ hồ Demontreville trước là để co dản cơ thể và sau là để t́m lại vài giây phút b́nh an và thở hít không khí trong lành của buổi sáng. Có điều chúng tôi thấy khác lạ sáng nay là nơi khu rừng bên kia bờ hồ, lá đă bắt đầu chớm điểm những đóm màu xanh, cam, vàng, đỏ khác nhau dưới ánh mặt trời rực rỡ của tháng chín. Cứ mỗi lần như vây là chúng tôi thấy ḷng náo nức và cảm thấy văng vẳng đâu đây bài học thuộc ḷng “Tôi đi học” của Thanh Tịnh. Lời văn rất lưu loát cho người đọc và người nghe những cảm xúc thật nhẹ nhàng , thật thân thương triều mến.

“…Hằng năm cứ vào cuối thu, lá ngoài đường rụng nhiều và trên không có những đám mây bàng bạc, ḷng tôi lại nao nức những kỷ niệm hoang mang của buổi tựu trường.
Tôi không thể nào quên được những cảm giác trong sáng ấy nảy nở trong ḷng tôi như mấy cành hoa tươi mỉm cười giữa bầu trời quang đăng.
Những ư tưởng ấy tôi chưa lần nào ghi lên giấy, v́ hồi ấy tôi không biết ghi và ngày nay tôi không nhớ hết. Nhưng mỗi lần thấy mấy em nhỏ rụt rè núp dưới nón mẹ lần đầu tiên đến trường, ḷng tôi lại tưng bừng rộn ră.
Buổi sáng mai hôm ấy, một buổi mai đầy sương thu và gió lạnh. Mẹ tôi âu yếm nắm tay tôi dẫn đi trên con đường làng dài và hẹp. Con đường này tôi đă quen đi lại lắm lần, nhưng lần này tự nhiên tôi thấy lạ. Cảnh vật chung quanh tôi đều thay đổi, v́ chính ḷng tôi đang có sự thay đổi lớn: Hôm nay tôi đi học.”

Thanh Tịnh (Tôi đi học) 

2.Vài nét về Robert Norton Noyce

Robert Norton Noyce được sinh ra ở Burlington, Iowa vào ngày 12, tháng 12 năm 1927 và mất vào ngày 3 tháng 6 năm 1990 tại Austin, Texas. Là con của một mục sư,  ông lớn lên ở Grinnell, Iowa , tốt nghiệp bậc đại học ở Grinnell College và nhận Ph.D. từ MIT. Sau một thời gian ngắn làm việc ở Philco về transistors, ông theo William Shockley về làm việc ở Shockley Semiconductor, vùng Silicon Valley (lúc đó là Santa Clara Valley). Một năm sau đó, ông cùng bảy  người khác trong nhóm  thành lập hăng Fairchild Semiconductor . Vào năm 1968, Robert Noyce và Gordon Moore rời Fairchild Semiconductor để mở hăng Intel, sau này trở thành hăng chế tạo chip điện tử ớn nhất thế giới..[H́nh 1]. Trong nhóm “the Fairchild Eight”, có lẽ Noyce là người gần và kính trọng Shockley nhất. Hăy nghe Noyce thổ lộ cảm giác của ông khi nhận được cú điện thoại bất ngờ từ Shockley mời ông tham dự hăng Shockley mới thành lập: -“It was like picking up the phone and talking to God…He was absolutely the most important person in semiconductor electronics. Getting that job meant you would definitely be playing in the big leagues.”

 


         

H́nh 1 (bên trái) : Robert Noyce cùng với Jack Kilby
khi hai người nhận giải thưởng của Hiệp Hội Điện và Điện Tử IEEE.

(bên phải) : Noyce and Steve Jobs(cộng sáng lập hăng Apple)
ùng bữa cơm tối tại nhà thống đốc Jerry Brown của bang California [1]

 

3. Hai lần mất cơ hội lănh giải Nobel về physics

Robert Norton Noyce đă hai lần mất cơ hội được giải Nobel về cùng ngành: (i) Về vi mạch tích hợp:  Noyce và Kilby là hai người đă đề nghị và thực hiên vi mạch tích hợp (intergrated circuits), mở đầu cho sự lớn mạnh của kỹ nghệ điện tử sau này. Jack Kilby là người đầu tiên đă đưa ra ư tưởng về mạch tiếp hợp IC ; nhưng phương pháp của ông không thể dùng để chế tạo hàng loạt mạch IC nhất là khi mật độ linh kiện điện tử khá lớn ; chỉ có phương pháp của Robert Noyce và Jean Hoerni triễn khai không lâu sau đó mới thích họp và là phương pháp hiện tại kỹ nghệ đang dùng để chế tạo linh kiện điện tử.  Kilby nhận giải Nobel về vật ly về công tŕnh vi mạch tích hợp vào năm 2000 (lúc ấy Noyce đă qua đời rồi , và Hội đồng khoa học Thụy Điển chỉ có thể phát giải thưởng này cho những người c̣n sống!) và (ii) Tunnel diode: Robert  Noyce ghi trong sổ tay của ông khái niệm về tunnel diode vào năm 1956, nhưng không tiếp tục nghiện cứu v́ “boss” của ông – William Shockley- không muốn ông làm công tác này một phần v́ không iên quan trực tiếp đến sản phẩm mà Shockley Semiconductor muốn chế tạo; c̣n một phần là do tính độc tài và lập dị của Shockley. Leo Esaki lănh giải Nobel về tunnel diode vào năm 1973 về phát minh của ông vào cuối thập niên 50’s [1]

 

4 Sự phát minh vi mạch tích hợp (Integrated circuits)

2-1- Jack Kilby là người đầu tiên đưa ra khái niệm về mạch tích hợp

Đồng thời với sự thành lập hăng Fairchild Semiconductor,  cũng có một hăng nhỏ tên là Texas Instruments (TI)  được tạo dựng lên ở Austin, Texas, để  sản xuất germanium transistors. Vào năm 1958, Jack Kilby của TI à người đầu tiên t́m ra phương pháp để kết nối  nhiều transistors và các linh kiện điện tử như phần tụ điện, điện trở với nhau trên cùng một  tấm nền germanium dùng phương pháp hàn (soldering) từng bộ phận một với nhau [H́nh 2 và ref. 2] . Kilby và TI nhận được bằng sáng chế về quy tŕnh chế tạo vào 23 tháng 1 , năm 1964 [US 3,138,743]. Phương pháp của Kilby thực sự không thể dùng trong việc sản xuất hàng loạt và không thích hợp mật độ linh kiện điện tử gia tăng. Cộng đồng khoa học phải chờ đến khi Jean Hoerni và Bob Noyce của Fairchild thành công với phương pháp “vi mạch tích hợp” thực tiễn hơn.

H́nh 2 (bên trái) :Mẫu thử (prototype) liên quan đến mạch tích hợp do Jack Kilby chế tạo ở Texas Instruments;
 và (bên phải): (bên phải): Bằng phát minh về mạch tích hợp của Jack Kilby [US patent 3,138,743]

 

2-2 Robert Noyce và Jean Hoerni với phương pháp chế tạo vi mạch tích  hợp thực tiễn

 

2-2-1 Lớp oxide bằng nhiệt và planar technology là hai phát minh thiết yếu đặt nền tảng cho kỹ thuật vi mạch tích  hơp sau này

Theo thiển nghĩ của người viết, vi mạch ích hợp và kỹ nghệ vi điện tử không thể h́nh thành được như ngày hôm nay nếu không có phát minh lớp oxide của M. Atalla và planar technology của Jean Hoerni.
 M. Atalla Dawon  Kahng ở Bell Laboratories triễn khai và đề xuất phương pháp dùng  hệ thống nhiệt để tạo lớp silicon oxide với chất lượng cao. Đây là một phát minh lớn trong kỹ nghệ vi mạch có tầm cỡ của phát minh transistors của Bardeen, Brattain và Shockley. Với phát minh này, Atalla và Dawon Kahng đă chế tạo thành công field effect transistors vào năm 1960- sau ngay đó được biết với cái tên là MOS (metal –oxide transistor) [3]. Phát minh về lớp oxide này cũng dẫn đường đến kỹ thuật planar technology và mạch tích hợp IC của Jean Hoerni và Robert Noyce. Nên ghi nhận ở đây là cuối thập niên 50’s, để tránh t́nh trạng chính phủ Mỹ phân chia hăng AT & T (hăng mẹ của Bell Labs) thành nhiều hăng nhỏ hơn, Ban lănh đạo AT & T đồng ‎ ư chia xẻ những phát minh mới của Bell Labs với cộng đồng khoa học. Và đây cũng là lúc Shockley rới Bell Labs để mở hăng Shockley Semiconductor (tiền thân của Fairchild Semiconductor và những hăng khác sau này kể cả Intel) [4]. Shockley k‎ư hợp đồng với  Bell Labs, xin  một số nhân viên của hăng ông trong số đó có Noyce và Hoerni được tham gia ” Diffusion Conference” ở Bell Labs để  thu thập được những tài liệu mới khám phá iên quan đến kỹ thuật về khuếch tán (diffusion), photolithography và phương pháp chế tạo lớp silion oxide bằng nhiệt  của Bell Labs.  Jean Hoerni t́m ra giải pháp planar technology lúc làm việc ở Fairchild Semiconductor, hăng mà ông, Noyce và sáu người khác (the Fairchild Eight) thành lập sau khi rời hăng Shockley Semiconductor (H́nh 3). Phương pháp Hoerni c̣n có những lợi điểm như những đường dây dẫn điện có thể kết nối hữu hiệu và tất cả mọi công đoạn chế tạo có thể thực hiện trên cùng một phía của tấm nến silíc . Đây là lợi điểm rất quan trọng làm nền tảng cho việc chế tạo IC sau này. Hoerni phát biểu kết quả t́m được tại Hội Nghi về Electron Devices tại Washington, D.C. vào tháng 10 nắm 1960 [5-6]. Cơ quan thẩm định bằng sáng chế của Mỹ cấp Hoerni và Fairchild bằng sáng chế về quy tŕnh planar technology vào ngày 20 tháng 3, 1962 [US patent 3,025,589]. Quy tŕnh chế tạo transistor dựa vào planar technology có thể tóm tắt ở H́nh 4.


       

H́nh 3  (bên trái): “The Fairchild Eight” nh́n từ trái sang phải: Gordon Moore, C. Sheldon Roberts, Eugene Kleiner, Robert Noyce, Victor Grinich, Julius Blank, Jean Hoerni và Jay Last. ( Fairchild Semiconductor Corp. và Magnum Photos).
(bên phải): Một tấm bảng đặt tại ṭa nhà đầu tiên của Fairchild ghi nhận công tŕnh về planar technology của Hoerni và intergrated circuits của Noyce (Fairchild Semiconductor Archives).

 

               

H́nh 4 (bên trái):  The planar process. Vùng với các đường gạch nghiêng về hướng trái à silicon oxide;
vùng với đường gạch nghiêng về hướng phải là vùng tiếp hợp bằng kim thuộc;
P and N chỉ định vùng kết tinh silíc loại P và loại N [5]. 

(bên phải): Jean Hoerni trong pḥng nghiên cứu ở Fairchild Semiconductor (Fairchild Semiconductor Archives)

 

Quy tŕnh được bắt đầu bằng cách bao phủ tấm nền đơn tinh thể loại N bằng một lớp silicon oxide mỏng dùng phương pháp nhiệt của Atalla và tạo vias xuyên qua lớp oxide dùng phương pháp photolithography (công đoạn a &b). Tiếp theo đó, tinh thể oại P được tạo trong tấm nền loại N bằng cách khuếch tán các chất thuộc cột III trong bản hóa trị như boron dùng phương pháp khuếch tán ( công đoạn c). Các công đoạn (d)- (g) được tạo thành bằng cách lập lại các phương pháp khuếch tán và photolithography ở các công đoạn (a)- (c). Những công đoạn này dựa vào những phát minh của Bell Labs như đă tŕnh bày ở trên.

 

2-2-2 Robert  Noyce với phương pháp chế tạo vi mạch tích hợp thực dụng

Ở Fairchild, Vào ngày 23 tháng 1 năm 1959, với sự thành công về planar technology của Hoerni, Robert  Noyce t́m cách kết nối bằng cách tích hợp các linh kiện điện tử và mạch liên kết với nhau và cách biệt những bộ phận này bằng lớp silicon oxide. Noyce cũng đề nghị đặt trên lớp silicon oxide các mạch tiếp nối bằng nhôm (aluminum interconnections) giữa hai thành phần điện tử và để cách điện với tấm nền silíc nằm phía dưới.. Tựa đề của bằng sáng chế của Noyce là “Semiconductor Device- and- Lead Structure” Noyce filed ngày 30 tháng 7, 1959, và được cấp bằng sáng chế vào ngày 25, tháng tư, năm 1961 [ US 2,951,877]. [H́nh 5]

 

           

H́nh 5 (bên trái): Bằng sáng chề vi mạch tích hợp của Robert Noyce, trong đó ông dùng planar technology của Hoerni.. (bên phải) Prototype về IC do Jay Last chế tạo [tài liệu từ Fairchild Semiconductor]

 

3. Tunnel Diode (Điốt có hiệu ứng đường hầm)

Trong bài  phát biểu  tại hội nghị của MIT Club về Cải tiến kỹ thuật (Innovation)  ở New York, vào tháng 12, năm 1976, Robert  Noyce muốn nhấn mạnh vai tṛ của người lănh đạo ‎ trong việc khích lệ những cán bộ nghiên cứu trẻ. Ông đưa ra trường hợp của cá nhân ông lúc mới đến làm ở hăng Shockley Semiconductor để làm thí dụ : ông thuật lại rằng ông có ghi trong sổ tay của ông khái niệm về Tunnel Diode vào năm 1956, và có cho Gordon Moore biết. Sau đó ông tŕnh bày y tưởng này với Shockley; và Shockley tỏ ra không quan tâm một phần v́ hiện tượng này không liên quan đến sản phẩm hăng muốn chế tạo, mà phần chính là như đă tŕnh bày ở những số trước trong ERCT tính Shockley rất “độc tài”, lập dị  và không muốn nhân viên ḿnh làm những công tác nghiện cứu mà ông không đề xướng [4]. Leo Esaki nghĩ ra khái niệm này hâu như cùng thời điểm với Noyce, và tiếp tục thực nghiệm đưa ra sản phẩm. Đây là hiện tượng negative resistance với ḍng điện giảm khi điển áp tăng lên cao do hiệu ứng tunen (tunneling effect) [H́nh 6, ref. 7 ]. So với thời gian đóng ngắt mạch (switching time)  khoảng milliseconds của transistors ở thời điểm lúc đó, switching time của tunnel diodes vào khoảng picoseconds là một thành quả rất đáng kể. Yếu điểm của tunnel diodes là đây là linh kiện điện tử hai cực (two terminal device) không thể dễ dàng  dùng trong việc khuếch đại (amplification) như transistor- một linh kiện điện tử ba cực. Mặc dù vậy tunnel diode chứng tỏ sư thành công hiện tương quantum mechanics trên  phương diện thực nghiệm.
Vào năm 1973, lúc mới 49 tuổi, Esaki ănh giải Nobel vật lư cùng với  Ivar Giaever và Brian David Josephson  [H́nh 6, ref. 7] . Dĩ nhiên the Nobel Committee và Esaki không biết ǵ về việc nghiên cứu về tunnel diodes của Noyce. Esaki phát minh tunnel diode lúc làm việc tại hăng Tokyo Tsushin Kogyo (Sony bây giờ). Nobel committee ghi nhận phát minh của Esaki vào 1957, cùng khoảng  thời gian Noyce có
ư tưởng tương tự. Bài báo đầu tiên của Esaki về tunnel diode có tên “New phenomenon in narrow germanium p-n junction” gửi đi vào 1 tháng 11 năm 1957 và được đăng ở Physical Review vào đầu năm 1958 [8]. Sony chế tạo tunnel diodes vào năm 1958 , theo sau bởi General Electric và nhiều hăng khác vào 1960. Phần viết trong quyển sổ tay của Noyce và bài báo đăng trong Physical Review của Esaki [8] về tunnel diode rất giống nhau về cơ cấu và nguyên l‎y hoạt động như được D.K.Yu đă  tóm tắc ở H́nh 7 [9].

 

             

H́nh 6 (bên trái): Cơ cấu vận hành của diode thông thường và tunnel diode;  (bên phải):
GS Leo Esaki  [7]
 

 

 

H́nh 7: Bản tóm tắc tài liệu liên quan đến tunnel diodes của Esaki và Noyce [9]

 

Chúng tôi khuếch đại phần nguyên lư “quantum mechanics”- h́nh bên trái - và đặc tính I-V (nằm ở h́nh bên phải) của H́nh 7, như được diễn tả ở h́nh 8 để dễ cắt nghĩa hơn.

 

        

H́nh 8.  (a) Khuếch đại phần cơ câu hoạt động (phần bến trái) và (b) đặc tính I-V (phần bên phải)  của H́nh 7.

Nguyên l‎ư hoạt động có thể cắt nghĩa như  ở H́nh 9.

 

H́nh 9. Biểu đồ năng lượng (band diagram) của tunnel diode trong sổ tay của  Robert  Noyce.

 

Trong quyển sổ tay của Noyce, biểu đồ năng lượng khi chất bán dẫn loại P tiếp xúc với chất bán dẫn loại N  với lượng dopants cao được biểu hiện ở H́nh 8 và khuếch đại ở H́nh 9. Hạt electrons tự do nằm  ở mức năng lượng thấp hơn mức năng lượng của lỗ hổng (hole). Noyce ly luận rằng Fermi level bên phía N có thể được nâng cao bằng cách áp đặt điện áp dương (forward bias) ở  phía bán dẫn loại P cho đến khi mức năng lượng của hạt electrons và của lỗ hổng (holes) có thể điều chỉnh để nằm ngang hàng nhau, cho ra một ḍng điện tunen (tunneling current). Cũng trong quyển sổ tay của Noyce (h́nh bên phải của H́nh 8) , tunnel diode bắt đâu với ḍng điện cao, tỷ lệ với sư gia tăng điện áp.  Sự tiếp tục  gia tăng điện áp cuối cùng sẽ dẫn đến một điểm mà mật độ của hạt electrons nằm cùng một mức năng lượng với holes sẽ giảm. Kết quả là ḍng điện tunen  của tunnel diode  sẽ giảm và chỉ gia tăng trở lại  khi linh kiện điện tử này  bắt đầu hoạt động trở lại như một điốt b́nh thường.

 

4. Lời kết

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 Điễn , 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 họn là phần ‘phán đoán chính xác”. Trường hợp của Robert Noyce có lẽ là v́ “cái cơ duyên” có đến,  nhưng  “không chịu ở chung thủy” với  ông?! Ông được cái duyên đến làm việc cho Shockley , cộng tác với Bell Labs và “the Fairchild Eight”, nhưng lại không  đi được đoạn cuối cùng để được “vinh danh” với  ước mơ nhiều người mong muốn:  ” Ông mất năm 1990, mười năm trước khi Jack Kilby lănh giải Nobel về vật ly về mạch tích hợp vào năm 2000; và không được lănh giải Nobel vế Tunnel diode cùng với Esaki v́ không tiết lộ phát minh của ông cho  cộng dồng khoa học đủ sớm, v́ những lư do mà ông không thể kiểm soát được. Ngẫm nghĩ sự đời “được cái này th́ mất cái kia” chớ ít ai được mọi thứ cả. Âu cũng là “Nguyên Ly Bảo Toàn Vận Mệnh” vậy!

 

5. Tài liệu tham khảo

[1] Leslie Berlin,  “The Man Behind the Microchip”. , Oxford University Press , 200
[2] Jack Kilby, IEEE Transaction on Electron  Devices, 23, 648 (July, 1976).
[3] Dawon Kahng, IEEE Transactions on Electron Devices, 23, 655 (July 1976
[4] http://www.erct.com/2-ThoVan/TTriNang/Silicon-Valley-2-Bell-Labs.ht
[5] Jean Hoerni, Planar Silicon Transistors and Diodes, unpublished paper presented at 1960 Electron Devices Meeting, October 1960, Collection of Christopher Lecuyer and David Brock: “Makers of the Microchip”, the MIT Press.
[6] Jean A. Hoerni, Fairchild Semiconductor Corp., Lab. notebook, p.3 (1 December 1957);  Jean A. Hoerni, “Planar silicon transistors and diode”, Fairchild Semiconductor  report.
[7] www.google.com
[8] Leo Esaki: Phys. Review, 109 (2), 603, 1958.
[9] Dong-Kyuk Ju & K. Night, 2013 

 

T.T.N
Mùa tựu trường 2015