Shuji Nakamura (sinh năm 1954) là kỹ sư của Nichia, một công ty hoá chất nhỏ ở tỉnh Tokushima, Nhật Bản, người làm ra đèn LED xanh lam độ sáng cao đầu tiên đủ dùng thương mại vào năm 1993. Ông chia giải Nobel Vật lý năm 2014 với Isamu Akasaki và Hiroshi Amano, “vì phát minh ra đèn LED xanh hiệu suất cao, cho phép tạo nguồn sáng trắng sáng và tiết kiệm năng lượng”.
Câu chuyện của ông đáng đọc vì ba lý do: ông chọn vật liệu gallium nitride khi phần lớn giới nghiên cứu cho rằng đó là ngõ cụt; ông làm được điều đó bằng cách tự sửa thiết bị thay vì chờ ngân sách lớn; và sau khi thành công, ông kiện chính công ty cũ để đòi phần thưởng xứng đáng, một vụ kiện góp phần thay đổi cách Nhật Bản đối xử với sáng chế của người lao động.
Phần dưới tách rõ đóng góp của Nakamura với của Akasaki và Amano, phân tích phương pháp làm việc, rồi đi vào vụ kiện và hệ quả pháp lý.
Vì sao LED xanh khó đến vậy
Đèn LED đỏ và vàng lục đã có từ thập niên 1960. Muốn có ánh sáng trắng cho chiếu sáng và màn hình đầy đủ màu, cần một nguồn sáng xanh lam hiệu quả, tức là một chất bán dẫn có vùng cấm rộng, khoảng gần 3 electron-volt. Hai ứng viên chính là kẽm selenua (ZnSe) và gallium nitride (GaN). Đến cuối thập niên 1980, đa số các nhóm nghiên cứu lớn theo ZnSe vì dễ nuôi tinh thể chất lượng cao hơn.
GaN gặp hai trở ngại lớn. Thứ nhất, không có đế tinh thể phù hợp mạng, nên lớp GaN nuôi trên đế sapphire đầy khuyết tật. Thứ hai, không ai làm được GaN loại p, tức loại dẫn điện bằng lỗ trống, mà thiếu nó thì không có tiếp giáp p–n để phát sáng hiệu quả. Akasaki và Amano ở Đại học Nagoya giải được phần lớn hai trở ngại này: họ dùng lớp đệm nhiệt độ thấp để cải thiện chất lượng tinh thể (giữa thập niên 1980) và năm 1989 báo cáo GaN loại p bằng cách chiếu chùm điện tử năng lượng thấp.
Còn một khó khăn thứ ba ít được nhắc: vùng phát sáng. Để chỉnh màu và tăng hiệu suất, cần pha indium vào GaN thành InGaN, nhưng indium dễ bay hơi ở nhiệt độ cao cần để nuôi GaN. Làm được lớp InGaN chất lượng là một trong những phần việc quyết định của Nakamura.
Như vậy khi Nakamura bắt đầu, nền móng khoa học đã có một phần, nhưng còn xa một quy trình sản xuất được. Đóng góp của ông là biến các kết quả phòng thí nghiệm thành một công nghệ có độ sáng và độ tin cậy đủ để bán, bằng nhiều cải tiến riêng về thiết bị và vật liệu.
Dòng thời gian sự nghiệp ở Nichia
Các mốc dưới đây được ông kể trong bài giảng Nobel và nhiều phỏng vấn, đồng thời phù hợp với các công bố khoa học:
- 1979: sau thạc sĩ tại Đại học Tokushima, vào Nichia, công ty chủ yếu làm chất phát quang cho đèn huỳnh quang.
- Thập niên 1980: phát triển các vật liệu bán dẫn như gallium phosphide và gallium arsenide; sản phẩm kỹ thuật đạt nhưng bán kém vì công ty lớn đã chiếm thị trường.
- 1988: theo lời ông kể, đề nghị trực tiếp với nhà sáng lập Nobuo Ogawa xin kinh phí làm LED xanh và được chấp thuận; sau đó sang Đại học Florida khoảng một năm để học kỹ thuật lắng đọng hơi hoá học kim loại hữu cơ (MOCVD).
- 1990–1991: cải tiến lò MOCVD thành cấu hình hai dòng khí, nuôi được lớp GaN chất lượng cao hơn.
- 1992: tìm ra cách làm GaN loại p bằng ủ nhiệt trong khí nitơ, và giải thích rằng hydro bám vào tạp chất magiê là nguyên nhân làm GaN loại p không dẫn điện.
- 1993: Nichia công bố LED xanh lam độ sáng cao dựa trên lớp InGaN.
- 1995–1996: laser diode bán dẫn xanh tím; Nichia ra mắt LED trắng bằng cách phủ chất phát quang vàng lên chip xanh, nối với chuyên môn gốc của công ty.
- 2000: rời Nichia, nhận vị trí giáo sư tại Đại học California, Santa Barbara.
Chú ý mốc năm 1996: LED trắng thương mại là sự kết hợp giữa công nghệ mới của Nakamura và năng lực chất phát quang có sẵn của Nichia. Phát minh thành công thường đứng trên năng lực cốt lõi của tổ chức.
Phương pháp: đi ngược số đông, tự tay sửa thiết bị
Chọn hướng ít người đi. Nakamura giải thích rằng ở một công ty nhỏ không thể thắng các phòng thí nghiệm lớn trên đường đua ZnSe. Chọn GaN là cược rủi ro, nhưng nếu thành công thì không có đối thủ. Đây là logic chiến lược hợp lý cho người có nguồn lực ít hơn.
Học thiết bị đến mức tự sửa được. Ông kể đã dành nhiều thời gian hàn, cắt và lắp lại lò MOCVD mỗi ngày, thử thay đổi cấu hình rồi nuôi mẫu ngay trong buổi chiều. Vòng lặp thử–sửa nhanh như vậy chỉ có được khi người nghiên cứu nắm thiết bị bằng tay mình.
Tìm nguyên nhân thay vì chỉ tìm mẹo. Phát hiện về hydro làm thụ động tạp chất magiê không chỉ cho một quy trình ủ nhiệt rẻ hơn chiếu chùm điện tử, mà còn giải thích vì sao các nhóm khác thất bại. Hiểu cơ chế giúp quy trình mở rộng lên quy mô sản xuất.
Bảo vệ thời gian nghiên cứu. Theo lời Nakamura, ông từng nhận chỉ thị dừng dự án GaN và đã tiếp tục bất chấp. Chi tiết này chỉ có nguồn từ phía ông và nên được trình bày như vậy, nhưng nó phản ánh một căng thẳng phổ biến giữa nhà nghiên cứu và quản lý ở doanh nghiệp.
Phân chia công lao: Akasaki, Amano và Nakamura
Uỷ ban Nobel trao giải cho cả ba người, và tài liệu khoa học của uỷ ban mô tả các đóng góp bổ sung cho nhau. Akasaki theo đuổi GaN từ thập niên 1970 khi hầu như không ai tin; cùng nghiên cứu sinh Amano, ông giải quyết chất lượng tinh thể bằng lớp đệm và lần đầu chứng minh GaN loại p cùng LED tiếp giáp p–n GaN. Nakamura phát triển độc lập các quy trình nuôi tinh thể, cơ chế làm GaN loại p bằng ủ nhiệt, và cấu trúc InGaN cho độ sáng thương mại.
Trong giới chuyên môn từng có tranh luận về mức độ ghi công, đặc biệt ở Nhật, nơi nhiều người xem nhóm Nagoya là người mở đường còn Nakamura là người hoàn thiện công nghệ. Quan điểm chính thức của uỷ ban Nobel không xếp thứ bậc, mà nhấn mạnh rằng cả khám phá cơ bản lẫn phát triển sản xuất đều cần thiết để LED xanh thay đổi cách chiếu sáng.
Với người làm khoa học ứng dụng, đây là một trường hợp tốt để suy nghĩ về khoảng cách giữa chứng minh khả thi và công nghệ dùng được. Cả hai đều có thể xứng đáng giải thưởng cao nhất; ở nhiều nền kinh tế, phần thứ hai lại thiếu người làm hơn.
Vụ kiện tiền thưởng và Điều 35 Luật Sáng chế Nhật Bản
Theo lời Nakamura, phần thưởng ông nhận từ Nichia cho sáng chế cốt lõi chỉ khoảng 20.000 yên. Năm 2001, sau khi sang Mỹ, ông kiện Nichia, dựa trên Điều 35 Luật Sáng chế Nhật Bản, quy định người lao động có quyền được trả khoản thù lao hợp lý khi chuyển giao quyền đối với sáng chế công vụ cho người sử dụng lao động. Năm 2004, Toà án quận Tokyo ước tính lợi ích của Nichia từ sáng chế rất lớn và buộc công ty trả 20 tỉ yên, đúng mức ông yêu cầu, khoản bồi thường kỷ lục thời đó.
Nichia kháng cáo. Đầu năm 2005, hai bên hoà giải tại Toà thượng thẩm Tokyo với khoản khoảng 840 triệu yên kể cả tiền lãi. Nakamura công khai bày tỏ thất vọng về kết quả và về hệ thống tư pháp Nhật, trong khi Nichia lập luận rằng thành công là kết quả đầu tư và công sức của cả tổ chức. Cả hai lập luận đều có cơ sở, và đó chính là lý do vụ việc thành điểm tham chiếu.
Vụ kiện cùng các vụ tương tự thúc đẩy Nhật sửa Điều 35 năm 2004 để khuyến khích công ty và người lao động thoả thuận quy chế thù lao trước, và sửa tiếp năm 2015 cho phép quyền đối với sáng chế công vụ thuộc về công ty ngay từ đầu nếu quy chế nội bộ quy định, đi kèm nghĩa vụ trả lợi ích hợp lý. Ở Việt Nam, luật sở hữu trí tuệ cũng có quy định về thù lao cho tác giả sáng chế khi chủ sở hữu là tổ chức giao việc; nếu bạn làm nghiên cứu trong doanh nghiệp, hãy đọc văn bản hiện hành và quy chế nội bộ, và thoả thuận rõ trước khi dự án bắt đầu.
Những hiểu lầm phổ biến về câu chuyện LED xanh
Hiểu lầm: Nakamura một mình phát minh ra LED xanh. Thực tế, ông là một trong ba người được Nobel ghi nhận, và trước cả ba còn có những nỗ lực sớm với GaN từ thập niên 1970, như các thử nghiệm của Herbert Maruska và Jacques Pankove ở phòng thí nghiệm RCA cho ra đèn GaN phát sáng yếu. Công nghệ là kết quả tích luỹ của nhiều nhóm; điều Nakamura làm là đẩy nó qua ngưỡng thương mại.
Hiểu lầm: thành công chỉ nhờ ý chí chống lại công ty. Câu chuyện chống chỉ thị cấp trên rất hấp dẫn, nhưng chính Nakamura cũng kể rằng nhà sáng lập Nichia đã chấp thuận một khoản kinh phí rất lớn so với quy mô công ty khi đó. Không có sự hậu thuẫn đó, không có lò MOCVD hay chuyến đi Florida. Đổi mới trong doanh nghiệp cần cả cá nhân dám làm lẫn người ra quyết định dám chi.
Hiểu lầm: vụ kiện chứng minh công ty Nhật bóc lột kỹ sư. Vụ kiện cho thấy luật khi đó thiếu cơ chế xác định thù lao hợp lý, chứ không chứng minh một mô hình bóc lột chung. Nhiều công ty Nhật đã có quy chế thưởng sáng chế; vấn đề là mức thưởng cố định không tương xứng với sáng chế có giá trị bất thường.
Hiểu lầm: LED xanh là chuyện của riêng ngành chiếu sáng. Laser xanh tím do cùng hệ vật liệu tạo ra là nền của đầu đọc đĩa Blu-ray, và GaN ngày nay còn là vật liệu quan trọng cho linh kiện điện tử công suất như bộ sạc nhanh nhỏ gọn và bộ khuếch đại tần số cao. Một vật liệu được làm chủ thường mở ra nhiều ứng dụng ngoài mục tiêu ban đầu.
Câu hỏi thường gặp
Vì sao LED xanh lại cho ra đèn LED trắng?
Cách phổ biến nhất là phủ lên chip LED xanh một lớp chất phát quang hấp thụ một phần ánh sáng xanh và phát lại ánh sáng vàng. Mắt người nhìn hỗn hợp xanh và vàng thấy gần như trắng. Cách khác là kết hợp ba chip đỏ, lục, lam. Không có LED xanh hiệu quả, cả hai cách đều không thực hiện được.
Nakamura có quốc tịch Mỹ không?
Có. Ông nhập quốc tịch Mỹ sau khi chuyển sang làm việc tại Đại học California, Santa Barbara, một phần vì lý do nghề nghiệp liên quan đến tài trợ nghiên cứu. Vì Nhật Bản không cho phép hai quốc tịch với người trưởng thành, việc này khiến một số báo chí Nhật bàn cãi khi ông nhận giải Nobel năm 2014.
MOCVD hai dòng khí là gì?
MOCVD là kỹ thuật nuôi màng tinh thể bằng cách đưa khí chứa kim loại hữu cơ và amoniac qua một đế nóng. Ở nhiệt độ cao cần cho GaN, dòng khí nóng bốc lên làm màng mọc không đều. Nakamura thêm một dòng khí phụ thổi từ trên xuống ép dòng phản ứng sát mặt đế, giúp màng đồng đều và chất lượng hơn.
LED xanh tiết kiệm được bao nhiêu điện?
Đèn LED trắng có hiệu suất phát sáng cao hơn nhiều lần so với bóng sợi đốt và cao hơn đèn huỳnh quang, đồng thời bền hơn. Mức tiết kiệm cụ thể phụ thuộc loại đèn và cách dùng; các cơ quan năng lượng quốc tế đều xếp chuyển đổi sang LED vào nhóm biện pháp tiết kiệm điện hiệu quả nhất trong chiếu sáng.
Kỹ sư trong doanh nghiệp Việt Nam có quyền gì với sáng chế mình làm ra?
Theo nguyên tắc chung của luật sở hữu trí tuệ Việt Nam, khi sáng chế được tạo ra bằng kinh phí và nhiệm vụ do tổ chức giao, quyền đăng ký thường thuộc tổ chức, còn tác giả có quyền được ghi tên và nhận thù lao theo thoả thuận hoặc mức luật định. Mức cụ thể có thể thay đổi theo văn bản, nên cần kiểm tra luật hiện hành và hợp đồng lao động.
Bài học lớn nhất từ Nakamura cho nhà nghiên cứu ở công ty nhỏ là gì?
Đừng cạnh tranh trực diện với các phòng thí nghiệm lớn trên con đường họ đã đi; hãy chọn hướng có rủi ro cao nhưng ít đối thủ, nắm thiết bị đến mức tự cải tiến được, và tìm hiểu cơ chế thay vì chỉ tìm mẹo. Đồng thời, thoả thuận rõ về quyền và thù lao trước khi kết quả xuất hiện.