A series of articles on “Microelectronics and Silicon Valley” –Part 9

Robert Noyce

Trần Trí Năng
 (University of Minnesota & Ecosolar International)

“Bob Noyce took me under his wing. I was young, in my twenties. He was in his early fifties. He tried to give me the lay of the land, give me a perspective that  I could only partially understand”.

Steve Jobs (co-founder of Apple Computer)

Trong những số trước, chúng tôi đă giới thiệu tổng quát về Robert Noyce [ 1-3 ]- người  đă cộng sáng lập hăng Intel và đă đứng sau sự phát minh  microprocessor của  Ted Hoff. Trong số này, chúng tôi chỉ chú trọng vào hai đóng góp quan trọng của Noyce trong kỹ nghệ vi mạch: integrated circuit và tunnel diode. Trong lănh vực vật ly , John Bardeen là người đă lănh hai giải Nobel [4], th́ ngược lại Noyce đă hai lần mất cơ hội được giải Nobel về physics: Nobel 2000 với  Jack Kilby về IC  (v́ ông mất trước đó)  và Nobel 1973  với Leo Esaki về tunnel diode (v́ ông không phát biểu hiện tượng này vào năm 1958  v́ khám phá này không được ban quản ly quan tâm trong việc chế tạo sản phẩm).

Từ khóa   Integrated circuit, tunnel diode, Nobel Prize,  microprocessor, Intel, Jack Kilby, Leo Esaki.

1. Câu chuyện bên lề thay lời tựa

 “…Theo nắng tôi về thăm con phố
                      Cây xanh mát rượi mịn da trời
                      Bờ cao sóng vỗ thời gian vỡ
                      Bám víu chần trần năm tháng vơi… 

                      Văng vẵng đâu đây dăm tiếng cười
                      Câu chào dáng dấp tuổi đôi mươi
                      Trời cao hoa nắng ngàn cánh nở
                      Sáng cả mộng đời, rực sáng mơi…” 

Từ Hawaii Kai Mall, mất khoảng 10 phút lái xe đến Koko Head. Đây là một phần của Koko Head Reginonal Park bao gồm cả vịnh Hanauma nổi tiếng , Halona Blowhole và Sandy Beach . Đây là di tích của một đường rầy cũ  bị bỏ lại từ Thế chiến thứ hai, lúc đó được  dùng để di chuyển nhân viên quân sự và đưa tải quân nhu. Dốc gồm có 1106 bước  dẫn tới đỉnh [H́nh 1, bên trái].V́ tôi hơi “nhát gan”, nên những đoạn đường nào dễ, có phần “chắc ăn”  th́ tôi bước theo các nấc  gỗ trên đường rầy; c̣n những đoạn nào hơi nguy hiểm th́ tôi đi ṿng theo dốc núi. Cứ lên xuống những  nấc thang  này mỗi tuần một vài  lần chắc cơ thể sẽ khỏe  hẳn ra! Koko Head  trail này hầu như thích họp cho tất cả mọi người ở những t́nh trạng sức khỏe khác nhau ngay cả trẻ con, người già và người bị khuyết tật.  V́ thế, vào những ngày cuối tuần như hôm nay, ở đây rộn rịp như  ngày hội. Mọi người vui vẻ, cười nói chuyện tṛ như quen biết nhau tự thuở nào. Người đi  nhanh, người bước chậm, không ai hối ai. Cứ từ từ lượng sức ḿnh mà đi… Anh đi. Tôi đi. Chúng ta cùng đi.  

“…Từng bước theo từng bước
Không ai bảo ai; người người lần lượt
Hồn trải rộng thênh thang
Đi giữa hàng cây.
Không gian ngút ngàn
Vài cụm mây trắng phau
Lảng đăng giữa bầu trời màu xanh sắc đậm
Lân tinh với muôn ngàn tia nắng ấm. 

Gió thổi lồng lồng
Bờ tóc bồng bềnh tô thắm
Đôi mắt đen tṛn to, sâu thẳm
Ấp ủ nét đoan trang hiền hậu
Người tṛ chuyện người với nét mặt vui tươi
Rộn ră tiếng cười.
 

Ngày vui màu xanh
Ngày tươi mộng đời
Em bé nhỏ
Theo chú cho con
Nô đùa, vui chơi…” 

Hai vợ chồng trẻ ; một người vai mang ba lô , một người mang em bé khoảng 2 tuổi. Tóc đỏ. Mắt xanh. Em nh́n mọi người đi ngang qua. Thăm ḍ. Quan sát. Rồi nở nụ cười tŕu mến. 

“…Tiếng cười em bé bên hàng cây
Gió thổi mơn man giọt nắng gầy
Rộn ră dư âm cùng năm tháng
Tháng này năm hết! Má hây hây…” 

Cứ 10 đến 15 nấc thang, tôi đứng lại nghỉ. Mặt trời đă lên cao. Mồ hôi bắt đầu chảy nhễ nhại. Càng lên cao gió càng mát và những đám mây càng bay gần hơn. Những vạt nắng tung tăng trên vùng cỏ gợn sóng. Những ngọn cỏ dài, nhỏ  và sắc như “cật nứa”! Đong đưa , đều nhịp theo tiếng gió ru. Đi được một hồi lâu, tôi t́m một tảng đá ngồi ngủ trưa. Tôi có cái “thói quen tư bản” này từ nhiều năm rồi! Bất cứ nơi nào tôi đi và dù bận thế nào đi nữa , tôi cũng t́m cách ngủ trưa chừng 5-10 phút. Tôi ngủ dễ dàng. Giấc ngủ thật nhẹ nhàng. Không mộng mị. Giữa trời biển bao la. Giữa ḷng người hoan ca.  

“…Tung tăng
Theo triền đồi
Tung tăng
Trong điệu mới
Người người  vui
Vồn vă  tiếng cười. 

Tung tăng
Theo thời gian
Tung tăng
Điệu  nhẹ
nhàng
Hương thời gian
Mơn man.

Màu thời gian
Vô vàng…”

 

Breathtaking views of Oahu are waiting...          

H́nh 1. 1106 nấc thang lên tới đỉnh của Koko Head (bên trái, ref.5).
Những nấc thang từ trên cao nh́n xuống (bên phải, h́nh do tác giả chụp).
 

Từ trên cao nh́n xuống, người ta có thể nh́n thấy thành phố nằm dưới chân đồi [H́nh 1, bên phải]. Những mái nhà năm sang sát nhau, như c̣n đang ngủ mê bên bờ biển xanh thắm đậm. Biển ấp ủ ngàn đời. Biển thênh thang độ lượng . Biển lênh láng t́nh thương.  

“…Nh́n màu biển xanh thẳm phía dưới, tôi cảm nhận được sư yên lặng và huyền diệu của thiên nhiên ngàn đời.
Bầu trời xanh.
Cây cỏ xanh. Vũ trụ nhịp nhàng ḍng luân chuyển theo ḍng thời gian vô biên.
Con đường rầy nghiêng nghiêng nắng đổ trải xa dài tới đỉnh núi.
Người đi.
Người về. Câu chuyện không đầu không đuôi. Nhưng ḷng cảm thấy vui vui…” 

Mặc dù không gian  và thời gian qua khác nhau; khung cảnh này làm tôi cồn càn lên nỗi nhớ đến đường lên Tu Viện Nguyên Thiều (B́nh Định)  ngày nao thuở c̣n học trung học.

“… Ngồi nơi đây nơi Tu Viện Nguyên Thiều
Những mái lá xác xơ nơi thung lũng
Những bóng đen suốt một đời nghèo túng
Nợ chất đầy đầu chị ở đợ nuôi em…” 

 

          

H́nh 2: Thành phố dưới chân núi (bên trái)
và h́nh giống con khủng long nh́n từ xa (bên phải). H́nh do tác giả chụp. 

Bao năm bôn ba trong cuộc sống. Bao thăng trầm. Nhưng rồi cuộc đời như ṿng tṛn ; một ngày nào đó cũng sẽ trở về bến cũ… 

“…Vẫn biết đời ḿnh là những chuyến xe
Ga tạm lại qua, bến đỗ xa gần
Bao khuôn mặt gặp qua.
Bao kỷ niệm
Hành tŕnh nằng nặng trĩu tâm thân…”.

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

Robert Norton Noyce được sinh ra ở Burlington, Iowa vào ngày 12, tháng 12  năm 1927 và mất vào ngày 3 tháng 6 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 Shockley về làm việc ở Shockley Semiconductor. Ngoài việc cộng sáng lập ra Fairchild Semiconductor , Intel và giúp đỡ việc bành trướng  công nghệ điện tử tại vùng Silicon Valley [H́nh 3], Noyce đă đóng góp trong nền khoa học và kỹ thuật với hai phát minh lớn:  phát minh vi mạch tích hợp (integrated circuits)  đồng thời với Jack Kirby của Texas Instruments và tunnel diodes cùng  lúc  với Leo Esaki , Japan. Ông đă mất đi hai cơ hội để nhân giải Nobel về vật l‎y: lần thứ nhất về tunnel diode (Esaki nhận giải này năm nào 1973; tài liệu về  phát minh của Noyce được công bố nhiều năm sau Esaki) và về vi mạch tích hợp IC (Jack Kirby nhận giải Nobel năm 2000; lúc đó Noyce đă qua đời).

 

H́nh 3: The Fairchild Eight  và việc bành trướng công nghệ điện tử tại vùng Silicon Valley [6].

2-1 Từ planar technology sang integrated circuits

Chỉ hai  tháng sau khi hăng Fairchil được thành lập, Hoerni đă t́m ra một giải pháp để giải quyết  những yếu điểm của mesa technology như là độ tin cậy thấp (low reliability) , hiện tượng đánh thủng điện áp  sớm (premature breakdown voltage) và biến đổi nơi đặc tính ṛ rĩ (leakage characteristics):  Hoerni đề nghị là thay  v́ khắc ṃn (etching away)  lớp oxít  ở công đoạn cuối cùng trong lúc chế tạo transistors,  nên giữ lớp oxít này lại để  bảo vệ cho vùng tiếp hợp [1].

 

         

H́nh 4: Schematic cross section of an early mesa transistor  made by Fairchild Semiconductor  [figure on the left]  and schematic  cross section of a planar transistor (figure on the right, Stanford University Archives)[1].

 

Vào tháng 12 năm 1957, Hoerni viết những y nghĩ của ông trong quyển sổ tay thí nghiệm với  nhan đề “Method of protecting  exposed p-n junctions at the surface of silicon transistors by oxide masking techniques” . Câu đầu tiên của Hoerni là : “This general idea underlying this invention is the building up of an oxide  layer prior  to diffusion of dopant atoms  at the places  on the surface  of the transistor  at which p-n junctions are expected to emerge  from the body  of the semiconductor.  The oxide layer  so obtained  is an integrant (sic) part of the device  and will protect the otherwise  exposed  junctions  from contamination and possible electrical leakage due to subsequent handling, cleaning , [and] canning of the device [7]”. Lợi điểm khác của phương pháp Hoerni là 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 trong việc chế tạo IC sau này.

Vào thời điểm Hoerni đề nghị y tưởng này, Fairchild không có khả năng để thực hiện. Thêm vào đó,  lúc đó tất cả mọi năng lực và thời gian của Fairchild đều dồn vào việc sản xuất mesa transistors- mục tiêu đầu tiên của hăng . Và sau khi kỹ thuật  về khuếch tán (diffusion từ Bell Labs.), oxide masking (từ Bell Labs) và photolithography  được thiết lập, Hoerni trở lại thực hiện y ‎tưởng ban đầu của ḿnh.  Với sự giúp đỡ kỹ thuật của Jay Last,  vào  tháng  ba năm 1959; Hoerni chế tạo thành công prototype planar transistors và tránh được những yếu điểm của mesa transistors và c̣n làm cho linh kiện điện tử  nhẹ, nhỏ hơn và giá thành sẽ rẻ hơn [H́nh 4] .  So với mesa transistors, transistors mới này c̣n  có những lợi thế về đặc tính điện như lợi suất cao hơn (higher gains), ḍng điện ṛ rĩ (leakage currents)  thấp hơn, khoảng chừng vài  nanoampere.  Hoerni phát biểu kết quả t́m được tại  Hội Nghi về Electron Devices  tại Washington, D.C. vào tháng 10 nắm 1960 [8]. 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 ba, 1962 [US patent 3,025,589]. Quy tŕnh chế tạo transistor dựa vào planar technology có thể tóm tắt ở H́nh 5.

 

H́nh 5: The planar process. Vùng với các đường gạch nghiêng về hướng phải là silicon oxide; vùng với đường gạch nghiêng về hướng trái là vùng tiếp hợp bằng kim thuộc; P and N chỉ định vùng kết tinh silíc loại P và loại N [8]. 

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 [1] và tạo vias xuyên qua lớp oxide dùng phương pháp photolithography (công đoạn a &b). Tiếp theo đó, tinh thể  loại 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 của Bell Labs [1]- 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).

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  là người đầu  tiên t́m ra phương pháp kết nối  nhiều transistors và các linh kiện điện tử (như phần tụ điện, điện trở) với nhau trên cùng một  tấm nền (lúc đầu là germanium, sau này chuyển sang silicon) dùng phương pháp hàn (soldering) từng bộ phận một với nhau Kilby và TI nhận được bằng sáng chế về quy tŕnh chế tạo này vào ngày 23 tháng  1 , năm 1964 [US 3,138,743]

Ở Fairchild, Vào ngày 23  tháng 1 năm 1959, với sự thúc dục của luật sư phụ trách  về bằng sáng chế và với mô h́nh về planar technology của Hoerni, Noyce viết vào trong sổ tay  thí nghiệm của ông  nhan đề “Method of isolating  multiple devices” đề nghi tất cả transistors được nối kết với nhau theo  quy tŕnh chế tạo nguyên khối (monolithic approach) và những linh kiện điện tử được giữ cách nhau bằng lớp silicon oxide. Giải pháp này  giải quyết được những yếu điểm trong phát minh của Kilby.

Bob 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].

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. Kilby nhận giải Nobel về vật ly‎ về công tŕnh này  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!). 

2-2 Tunnel diode

Trong một buổi nói chuyện tại MIT Club  ở New York, vào tháng 12, năm 1976, Bob Noyce cho biết rằng  ông ghi trong sổ tay của ông khái niệm về Tunnel Diode vào năm 1956, nhưng không tiếp tục nghiện cứu v́ hăng ông làm không quan tâm đến việc chế tạo sản phẩm dựa vào hiện tương này.  Leo Esaki lănh giải Nobel về tunnel diode vào năm 1973 về phát minh của ông vào cuối thập niên 50’s. Đây là hiện tượng negative resistance với ḍng điện giảm khi điển áp tăng lên cao do tunneling effect  [H́nh 6]. 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  v́ đây là linh kiện điện tử hai cực (two termical 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.

Esaki 49 tuổi  lúc lănh giải Nobel vào 1973 [H́nh 7, ref. 9] . 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. Điểm không rơ ở đây là Noyce có làm thí nghiệm nào để chế tạo tunnel diodes không hay chỉ dự đoán thôi?- h́nh như không có dữ liệu nào trong sổ tay thí nghiệm của ông để xác nhận điều này.  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 [10]. Sony chế tạo tunnel diodes vào năm 1958 , theo sau bởi General Electric và nhiều hăng khác vào 1960. Sự tương tự giữa hai phát minh liên quan đến tunnel diode được D.K.Yu tóm tắc ở H́nh 8.

 

H́nh 6: Cơ cấu vận hành của tunnel diode (h́nh bên phải).
H́nh bên trái là cơ cấu vận hành của diode thông thường dùng để so sánh.

 

H́nh 7 : Leo Esaki [11]

 

H́nh 8: Bản tóm tắc tài liệu liên quan đến tunnel diodes của Esaki và Noyce [11]

 

2-3 Những h́nh ảnh khác

 

           

H́nh 9 [12]

Figure on the left: Noyce grinned  outside  his Intel cubicle (Stanford University Libraries).
Figure on the right: Noyce and his co-inventor Jack Kilby shared the first Charles Stark Draper Award .

 

 

         

H́nh 10.

Figure on the left: Noyce and Applle Computer co-founder Steve Jobs at a dinner for governor Jerry Brown [12]

Figure on the right: The plaque at 844 E. Charleston Rd., Palo Alto, the first site of Fairchild Semiconductor [3]

 

Fig. 11: The late Dr. Robert Noyce, co-founder of Intel, is flying through the air on a statue at Advanced Micro Devices. Jerry Sanders honored Noyce  for investing  money early in AMD with this caricature (TAP TIMES Archive, [13]).  

3. Lời kết

Chúng tôi xin mượn hai đoạn trong quyển sách của Leslie Berlin “The Man Behind the Microchip” [12] để kết thúc bài viết này:

“…Before the Internet and the World Wide Web and cell phones and personal digital assistants and laptop computers and desktop computers and pocket calculators and ATMs and cruise  control and  digital cameras and motion detectors and video games—before all these, and the electronic heart of all these, is a tiny device called an integrated circuit. The inventor  of the first practical integrated circuit, in 1959, was Robert Noyce. It was one of 17 patents awarded to him.”

Leslie Berlin 

“…In 1968,  Noyce and his Fairchild co-founder Gordon Moore launched their own new venture, a tiny memory company  they called Intel. Noyce’s leadership of Intel- six years as president, five as board chair , and nine as a director—helped create a company that was roughly twice as profitable as its competitors and that today stands as the largest producer of semiconductor chips in the world.”

Leslie Berlin

 

4. Tài liệu tham khảo

[1] http://www.erct.com/2-ThoVan/TTriNang/Part-8-Fairchild-Semiconductor.htm

[2] http://www.erct.com/2-ThoVan/TTriNang/Part-7-The-Fairchild-Semiconductor.htm

[3] http://www.erct.com/2-ThoVan/TTriNang/Part-6-The-Fairchild-Eight.htm

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

[5] http://en.wikipedia.org/wiki/Koko_Head

[6] Business Week, August, 25, 1997.

[7] Jean A. Hoerni, Fairchild Semiconductor Corp., Lab. notebook, p.3 (1 December 1957)

[8] Jean Hoerni, Planar Silicon Transistors and Diodes, unpublished paper presented at 1960 Electron Devices Meeting, October 1960, Collection of Christopher Le1cuyer and David Brock: “Makers of the Microchip”, the MIT Press.

[9] Yahoo Image*)

[10] Leo Esaki: Phys. Review, 109 (2), 603, 1958.

[11] Dong-Kyuk Ju & K. Night, 2013 

[12] Leslie Berlin,  “The Man Behind the Microchip”. , Oxford University Press , 2005

[13] Thomas P. Rigoli, Test, Assembly & packaging Times, April 2013

 

*)Tên là Reona Esaki, thường được biết với tên Leo Esaki. Sinh tại Osaka vào 12 tháng 3, 1925. Tốt nghiệp UNiv. of Tokyo, BS 1947 và PhD 1959.  Di dân sang Mỹ vào năm 1960 và làm việc tại T.J. Watson, IBM từ đó.  Ngoài tunnel diodes, ông c̣n khởi xướng ra supperlattices cùng với Raphael Tsu lúc hai người làm việc ở IBM. Vào cuối thập niên 90’s, ông trở về Nhật, làm hiệu trưởng ở nhiều trường như  University of Tsukuba, Shibaura Institute of Technology và Yokohama College of Pharmacy.