|
A series of articles on “Microelectronics and Silicon Valley - Part 14 Shuji Nakamura
Trần Trí Năng Hôm tháng 10 vừa rồi, chúng tôi hay tin là GS Shuji Nakamura [H́nh 1] của University of California- Santa Barbara (UCSB) là một trong số ba người lănh giải Nobel về vật lư năm 2014 [1]. Đây là một tin vui cho cộng đồng khoa học và kỹ thuật và cũng nằm trong dự đoán của chúng tôi trong bài viết “Hiện tượng Nakamura” đăng trong ERCT vào tháng 4, 2013 [2]. Chúng tôi 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” ở một xă hội bài bản như Nhật. GS Nakamura tốt nghiệp ở một trường đại học nhỏ, làm ở một hăng nhỏ ở một thành phố nhỏ. Sau 10 năm làm việc ở Nichia, năm 1988, GS Nakamura qua Mỹ một năm nghiên cứu về hệ thống chế tạo màng mỏng 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. Hầu hết các thiết bị tự ông lắp đặt lấy và với đề tài nghiên cứu nhiều người trên thế giới không c̣n quan tâm đến v́ không có. Ông đă đạt được những thành quả liên quan đến linh kiện bán dẫn mà những triển vọng“cây đại thụ” của Nhật và thế giới về “high techs” không thể đạt được. Với sự thành công của GS Nakamura, Nichia đă từ một hăng nhỏ vào cuối thập niên 70’s, trờ thành hăng sản xuất lớn nhất trên thế giới về LEDs. Năm 2013, Nichia đă đầu tư 50 tỉ Yen về LEDs, đứng hàng thứ ba trong các công ty đầu tư nghiên cứu tại Nhật sau Toshiba và Sony. Trong bài viết này, ngoài những “cảm nghĩ bên lề”, chúng tôi cũng phân tích sự thành công của ông dựa một phần vào nguyên lư “cơ duyên” và “may rủi” : Trong ḍng đời “vô thường” này, giống như chuyện “tái ông thất mă”, có những “cơ duyên” mà con người không thể đoán trước được. Đôi khi “cái rủi” lại là “cái may”. Trường hợp của GS Nakamura có nhiều “cái rủi” đă trở thành “cái may”: (i) “cái rủi” phải miễn cưỡng làm việc tại Nichia trở thành một “cái may” là Nichia là một hăng có truyền thống sáng tạo với thành tích chế tạo sản phẩm thị trường cần và người chủ hăng tốt và sáng suốt; (ii) “cái rủi” không bán được nhiều sản phẩm phosphor đưa đến “cái may” là GS Nakamura phải t́m giải pháp làm blue LEDs và LDs lúc đó đang ở giai đoạn chín muồi v́ nhu cầu cần thiết của hai linh kiện bán dẫn này và được gửi đi học 1 năm ở Đại học Florida; (iii) “cái rủi” hầu hết giới khoa học chú tâm vào ZnSe trong việc khai thác blue LEDs và LDs và sự thành công của nhóm nghiên cứu ở Tập đoàn 3M trong việc chế tạo blue-green LDs lần đầu tiên trên thế giới cho GS Nakamura “cái may” bị “dồn vào chân tường” và được tự do trong việc dùng GaN để thực hiện cùng một mục đích; và (iv) “cái rủi” ba hệ thống MOCVD trong pḥng nghiên cứu ở Đại học Florida phải chuyển nhượng sang pḥng nghiên cứu khác, ông phải làm việc ngày đêm và hoàn thành bộ máy MOCVD cho ông “cái may” là kinh nghiệm tự lắp đặt hệ thống hai ḍng khí MOCVD để giải quyết vấn đề nhiệt đổi lưu ở 1.0000C sau này, giúp ông thành công trong việc chế tạo blue LED’s với độ sáng cao chưa từng thấy. Chúng tôi cũng xin trích ra đây những phần chính trong bài viết số tháng ba năm 2013 để chúng ta cùng ghi nhận và “suy ngẫm” công tŕnh của một nhà nghiên cứu nghiêm túc. . “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 [8] “Điều mà tôi làm được chứng tỏ rằng, bất cứ người nào với một số ít kinh nghiệm nghiên cứu, không có hợp tác với đại học hay hăng xưỡng khác vẫn có thể một ḿnh đạt được thành công đáng kể khi người ấy làm nghiên cứu ở một lănh vực mới mà không bị ràng buộc nhiều với những y tưởng và kiến thức ước định” . Shuji Nakamura
1. Lời giới thiệu Trong sự “cô lập” và “gần như tuyệt vọng”, GS Nakamura 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. 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 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 thưởng Millennium Technology– giải thưởng lớn nhất về engineering với một số tiền thưởng 1 triệu Euros. Với cái đà phát triển về kỹ thuật blue light (blue light technology) này, chúng tôi nghĩ chuyện lănh giải Nobel nằm trong tầm tay của ông (not bad for someone who didn’t expect to succeed !). Sự thành công của ông tùy thuộc phần lớn vào sự quyết tâm, nỗ lực vượt bực, óc sáng tạo cao, ḷng yêu thích về ngành nghề, thái độ không chịu chạy theo trào lưu của ông, hoàn cảnh đưa đẩy đến làm việc trong môi trường ở hăng nhỏ, ước mơ thực hiện “American dream”, sự “thở hít và sống trong không khí và môi trường nghiên cứu” tại Mỹ và một ít may mắn dựa trên nguyên lư “cơ duyên”, “vận may” và “nguy cơ”.
H́nh 1: Professor &
director of the Solid
State Lighting and Display Center,
2. 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 lư th́ cả hai LED’s và LD’s trong cấu tạo cơ bản đều gồm có hai lớp vật liệu với tạp chất 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 của LD’s. Ở phần cuối của buồng cộng hưởng, có thiết lập phần gương để phản chiếu phôton di chuyển qua lại, 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. GS Nick Holonyak Jr. của University of Illinois, Urbana Champaign phát minh LED lần đầu tiên vào năm 1962 khi ông làm việc ở General Electric, Syracuse, New York. Vào thập niên 70’s, TS J.I. Pankove và cộng sự viên của ông tại hăng RCA lần đầu tiên nghiên cứu LED dựa trên GaN [3], 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 GaN LEDs: (i) thiếu sự điều hợp mạng tinh thể (lattice-matching) thích hợp với vật nền; (ii) nhiệt đổi lưu (thermal convection) ở nhiệt độ sinh trưởng màng mỏng cao (khoảng 1.000C) v́ dùng phương pháp MOCVD và (iii) p-type doping. Hiện tại hầu hết dùng vật nền bằng sapphire với một lattice matching với GaN cao khoảng 15%. GS. Akasaki (Nagoya University) và GS Nakamura đă phát triển được kỹ thuật chế tạo lớp đệm (buffer-layer technologies) để tạo GaN vời mật độ khiếm khuyết (defect density) thích hợp [4, 5] Đầu năm 1990, GS Isamu Akasaki (Nagoya University) và group của ông 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 [6]; 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 ông Nakamura là annealing Mg doped GaN trong một môi trường khí nitơ sạch ở 400 C 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) [7]. Kết quả nghiên cứu này đưa đến sự thành công trong việc thương mại hóa blue GaN LED’s [8] 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 2, sẽ thảo luận 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 12 tháng 12 năm 1995, blue LDs phát sáng ở nhiệt độ trong 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 nhiệt 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 3 ), 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 [8]. Linh kiện LD lúc này có thể hoạt động tới 2 giờ ở nhiệt độ pḥng với duty cycle của 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.
H́nh
3.
Cấu tạo của LD with InGaN MQW.
3. Hiện tương Nakamura 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 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 ngành; 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 lư, không có người kinh doanh chuyên nghiệp. 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”. Với sự thành công của GS Nakamura, ngoài sự cố gắng và kiên nhẫn phi thường của ông, chúng tôi xin đưa ra một cái nh́n khác dựa theo sự tổng họp của ba nguyên lư : (i) “cơ duyên” và “vận may”; (ii) thiên thời, địa lợi, nhân ḥa; (iii) từ “nguy cơ”. 3-1.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 và thành tích chế tạo sản phẩm thị trường cần. Sau khi học xong BS và MS về ngành điện tử vào năm 1977 & 1979 ở University of Tokushima, GS Nakamura muốn theo đuổi ngành chuyên môn ở những hăng lớn như Sony & Toshiba. Nhưng GS cố vấn của ông khuyên ông đừng đi v́ ở những thành phố lớn, v́ 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 30 triệu đô-la 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.” [9,13] (nếu lúc đó tôi đi làm cho hăng lớn, rất khó cho tôi làm công tác nghiên cứu với sự tự 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 thành công ba sản phẩm (GaP crystals, GaAs crystals và GaAlAs crystals) và một sự trùng hợp 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 gallium phosphide crystals. Kim thuộc gallium (Ga) và phosphous (P) 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 8:00 giờ, ông chuẩn bị cái ḷ và nguyên liệu; 10;;00- 11:00 sáng : các chất liệu phản ứng (reactants) được cho vào ḷ đặt sau một tấm màn che dùng để ngăn cách pḥng thí nghiệm 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 chiều, 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 chiều 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 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. Nhiều lúc ông tự hỏi: “Tôi cứ nghĩ đời của tôi chắc cứ măi măi sống như thế này ?”. Sau ba năm, cuối cùng ông chế tạo được 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 ngàn đô-la mỗi tháng với loại tinh thể GaP này. Thất vọng, người quản lư 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 chất độc hại người arsenic oxide. Lần này th́ ông dời pḥng thí nghiệm tới một pḥng biệt lập với văn pḥng của ông. Ông đợi sau khi khói tan biến hết rồi ông mặc bộ đồ “space suit” với mặt nạ pḥng hơi độc (respirator) đi vào pḥng lab để lau chùi [9]. (Chú thích/TTN: Cứ tưởng tượng nếu GS Nakamura làm việc ở những hăng lớn như Sony hay Matsushita, th́ chuyện này đâu có thể xảy ra được.)
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. Điển 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 điển h́nh. Khác với các hăng lớn với nhiều khuynh hướng khác nhau v́ có nhiều group 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 ḿnh muốn nhất là nghiên cứu những đề tài cộng đồng khoa học không chú ư đến và cho là không thành công (c) Nhân ḥa. Ở Nichia, ông giám đốc đồng ư bỏ tiền trong việc nghiên cứu blue LED’s của GS Nakamura v́ ông biết GS Nakamura là người có 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 hợp của ông Nakamura, sau 10 năm làm việc ở Nichia với ba thành công về kỹ thuật nhưng không mang đến cho hăng lợi nhuận mong muốn. Ông đă chế tạo thành công GaP, GaAs crystals 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 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 vào phẩm chất lâu dài 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 lư, 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 lư 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 triệu đô-la 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 technique có triển 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 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”[9]. Ông rất ngạc nhiên khi ông Ogawa đồng ư 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 ư, ông Nakamura lại đối diện với một t́nh huống khác khó khăn hơn và sự thất bại lần này không thể chấp nhận được. 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 [16,17]. 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 trong pḥng ; Sony sau này triển khai thêm và LDs có thể hoạt động liên tục trong 9 phút. Trong hoàn cảnh này. GS Nakamura chọn GaN (với defects quá cao, 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 phẩm 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 [9]. 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, cỏ 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 lư do nữa đưa ông đến sự chọn lựa này, mặc dù ông không nói rơ rệt và theo thiển ư của chúng tôi, là ư 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 paers. I never thought that I could invent blue LEDs, using GaN” [8] (Chú thích/TTN: yếu tố “nguy”) (b) Từ “cơ”. Ông tự khai phá chất group III nitride 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 substrate. Ông tự phát triển một hệ thống mới mà ông gọi là two-flow MOCVD dựa vào kinh nghiệm ông học được lúc ở University of Florida. Trong hệ 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 GaN crystal với độ di động (mobility) 200, kỷ lục thế giới lúc bấy giờ, mặc dù dislocation density vẫn c̣n cao, khoảng 1010 /cm3 [H́nh 2].
H́nh 2 : A two-flow MOCVD system [11]
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 tuổi thọ (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 lư 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” [12]. 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 lư 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 “the 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 với những phát minh mang lại lợi nhuận [10]. Vào năm 2004, ṭa án vùng (district court) ra lệnh cho Nichia trả GS Nakamura 188.7 triệu đô-la [15], nhưng khi Nichia khiếu nại lên Ṭa án tối cao pháp viện (the supreme court), số tiền này giảm xuống cón 8.1 triệu đô-la. 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 “ 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.” [15]. Cũng xin ghi nhận ở đây là từ năm 2006, luật về bằng sáng chế 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: 3-2. Những “cảm nghĩ bên lề” 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 rất nhiều. Nhưng sau đó ông quyết định không đọc nhiều sách, tài liệu phát biểu từ người khác. Ông nghĩ làm như thế chỉ “bắt chước” 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 Phần lớn những người làm công tác khoa học cũng giống như “những người mù sờ voi”; người sờ trúng cái ṿi, người trúng cái đuôi và chỗ nào nhiều người sờ trúng trở thành “hướng đi chung “ cho mọi người. Phần lớn 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 lư do để bào chữa. 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 cho 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 nhỏ” 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 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 đô-la 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”, ông bảo người nhân viên trẻ. V́ ông ở hăng trên 10 năm rồi, nên nhân viên trẻ này nghe theo lời ông (the senority system in Japan had 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 trong 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 cấp cho ông học vị PhD. Sau cùng th́ bên nào cũng có lợi! (It’s not bad for both parties after all!). Ngược lại ở những hăng lớn như 3M hay lớn hơn như Sony, corporate politics và bureaucracy đă có thể làm ngưng trệ cho sự phát triển 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 a blue technology sau hơn 25 năm chờ đợi. Một năm trôi qua với conferences, hàng loạt khách thăm viếng, 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 trong 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 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 o flaser research của Sony lúc bấy giờ tuyên bố là ông rất lạc quan về triển vọng đưa ZnSe blue LD’s ra thị trường. Nhưng rồi với tiến bộ của nhóm Akasaki 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 hợp 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!). Cái lẽ vô thường của vạn vật:
Mạc vị xuân tàn hoa lạc tận
(Chớ bảo xuân tàn hoa rụng hết (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 ư kiến của chuyên gia; (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.
Tài liệu tham khảo [1] Hai người khác cùng lănh giải Nobel về vật lư là GS Isamu Akasaki và Hiroshi Amano của Đai học Nagoya. Thực tế mà nói, khám phá về p-type GaN của hai vị GS này chỉ là một phát minh nhỏ so với công tŕnh của GS Nakamura.Theo thiển nghĩ của chúng tôi, hai người đáng nhận giải Nobel vật 1ư về LEDs năm nay phải là GS. Nakamura và GS. Nick Holonyak Jr. của Đai học Illinois, Urbana- Champaign, người phát minh đèn LEDs và năm 1962. (GS Pankove đă qua đời nên theo nguyên tắc của Hàn Lâm Viện Thụy Điễn không nhận được giải). [2] http://www.erct.com/2-ThoVan/TTriNang/Hienthuong-Nakamura.htm [3] J. Pankove et al. RCA Rev. 32, 383 (1971). [4] H. Amano et al. Appl. Phys. Lett. 48, 353 (1986) [5] S. Nakamura : Jpn. J. Appl. Phys. 30, L1705 (1991). [6] H. Amano et. Al. J. Lumin. 4041, 121 (1988). [7] S. Nakamura et. Al. Jpn. J. Appl. Phys. 31, 1258 (1992). [8] S. Nakamura:in a talk to high school students, 2007, CA S. Nakamura. Materials Science and Engineering B50 (1997) 277-284; Jpn. J. Appl. Phys. 31, 1258 (1992). [9] S. Nakamura : ISAP International, vol.1, January 2000. Opto & Laser Europe May 2002. [10] S. Nakamura: Commomorative lecture at the 21st Honda Prize awarding ceremony, Nov. 17, 2000. Tokyo. [11] S. Nakamura et al. “Novel metaloorganic chemical vapor deposition system for GaN growth”, Applied Phys. Lett. 58, 2021 (1999). [12] Y. Arakawa: JSAPI International, No.2, July 2000. [13] R. Taplin: Newsletter from Thomson Scientific, July 2007. Also http://www.scientific.thomson.com/newsletter [14] http://www.compoundsemi.com/documents/articles/news/3692.html [15] Kyoto News và Nihon Keizai Shinbun, Jan. 12, 2005. http://www.nytimes.com/2005/01/12/business/worldbusiness/12light.html [16] M. Haase et al. Appl. Phys. Lett. 63,25 Oct. 1993 [17] M. Haase et al. US patent 5,291,507..
|
