“世界功率器件市場規模220億美元，國內市場占一半以上。但90%依賴進口，特別是高端芯片?！崩钏济舾锌?，九十年代那會兒，國產與國際先進水平的半導體器件仍然有很大差距。
上世紀80年代，中國半導體器件從第一代電子管向第二代晶體管的過渡，而世界已經進入現代電力電子器件時代，IGBT即將成為主流。
直到九十年代，中國的第一支高壓IGBT才誕生，這款芯片由功率半導體器件專家黃勤設計，李思敏負責工藝制作。
半導體行業按照產品分為兩大類，一類相當于人類的大腦神經，這就是目前鬧供應荒的緊缺的集成電路芯片（Integrated Circuit Chip）；另一類相當于人的四肢，被稱為功率半導體器件（Power Semiconductor Device），中高端產品同樣高度依賴進口。
IGBT，絕緣柵極雙極型晶體管，小到電焊機、電磁爐，中到新能源汽車充電樁，大到軌道交通、電網、航空航天、風電風機運轉的“CPU”都是它，應用場景廣泛。
在半導體芯片這樣的重要技術元件上，越是依賴進口，就越是容易被進口國家“卡脖子”。
2020年，中美關系陷入緊張，美方宣布對部分中國企業進行制裁，嚴密監控對中國的芯片出口，一場沒有硝煙的戰爭就此拉開。而隨著疫情到來，全球陷入芯片短缺危機，加快了中國功率芯片研究的步伐。
半導體芯片技術是幾乎所有現代技術的基礎，高鐵、軌道交通、風電、電網、船舶、軍工、大型設備等國家支柱行業都離不開功率芯片。
然而設計制造一款新型芯片，動輒耗費千萬、耗時數年。
主要難在架構設計、制造工藝、研發周期上：設計一款芯片，科研人員要芯片“規范”，定義諸如指令集、功能、輸入輸出管腳、性能與功耗等關鍵信息，將電路劃分成多個小模塊，清晰地描述出對每個模塊的要求。然后由“前端”設計人員根據每個模塊功能設計出“電路”，運用計算機語言建立模型并驗證其功能準確無誤?！昂蠖恕痹O計人員則要根據電路設計出“版圖”，將數以億計的電路按其連接關系，有規律地翻印到一個硅片上。至此，芯片設計才算完成。如此復雜的設計，不能有任何缺陷，否則無法修補，必須從頭再來。
制造工藝復雜。一條芯片制造生產線大約涉及50多個行業，一般要經過2000至5000道工藝流程。
投入大、研制周期長。一款復雜芯片，從研發到量產，要投入大量人力、物力和財力，時間至少要3至5年，甚至更長。IC是如此，功率芯片也是如此。
研發一款新芯片需要研發團隊、資金、產業鏈相互配合，其中研發者對新技術路線的判斷與堅持尤為重要。
“在半導體的路上，沒有捷徑，我們只能去走最艱苦的道路。現在做最難的事才能讓以后變得容易?！崩钏济舻呐畠豪钸B宇告訴小飯桌。
- 功率半導體的應用范圍 -
李思敏是中國第一個高壓絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）的參與制造者，創立了半導體公司優捷敏，先后研發了GAT管、GATH管，獲得10多項中國專利。如今李思敏已82歲，依舊在技術研發上孜孜不倦：他新開發出的取代MOS管的逆導型聯柵晶體管（RCGAT），已進入流水線制造階段。
- 優捷敏創始人&CTO李思敏 -
李思敏的芯片夢植根于青少年時期。1956年，16歲的李思敏考上了北京大學物理系，學習半導體物理；大學時，李思敏曾和同學們目睹前蘇聯的人造衛星飛過頭頂，在那個技術匱乏、工業基礎薄弱的年代，這群青年人在心中默默地埋下了科技報國的種子。為著這顆種子，李思敏付出了半生的時間。
大學畢業后，李思敏被分配到了北京市無線電器件研究所。1983年，參加了與清華大學微電子所聯合攻關的8085微處理器的工作。他的經歷覆蓋了半導體行業多個產品領域。
上世紀80年代初，全世界的第三代半導體功率器件研究正如火朝天。以金屬—氧化物半導體場效應晶體管（MOSFET）、絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）為主的第三代功率器件興起，彼時的中國，正處于百廢待興的改革開放浪潮之中，半導體器件還在從第一代電子管向第二代晶體管過渡。
而當時，IGBT的核心技術和產業為大多數歐美、日本半導體廠商所掌控，全世界的IGBT芯片的進口都仰賴于此，中國也不例外。
那時期，中國開始實施“八五”國家重點科技項目（攻關）計劃，在電力電子器件及應用方面力爭突破，改變在電子技術發展上受制于人的狀況。
半導體器件專家黃勤通過朋友介紹，認識了時任北京半導體器件研究所高技術實驗室副主任的李思敏。1987年，由黃勤設計，李思敏負責工藝制作，二人合作研發出了中國第一支高壓IGBT，打破了國際上的壟斷。
1988年，北京市電子振興領導小組辦公室舉行了一場頭腦風暴，集齊半導體業界最優秀的人才，每半個月召開一次中國電力電子研討會。在這場匯集了全中國最優秀、最有天賦的半導體研究人才盛會上，李思敏接受了來自國內外的先進的半導體研究思路。這場學術之旅，為他后續自主創新GAT、GATH管埋下了種子。
1994年，李思敏被派到美國學習最新的半導體器件溝槽型IGBT全套技術，為回國后的研究工作打下基礎?；貒?，正當李思敏準備將學成技術大展身手之時，卻遇上了90年代的銀行改制。原來合作的銀行不再投資李思敏所在公司的電子電力研究項目，李思敏的研究之路中斷。
1996年，為了提升國產IGBT的性能，使之能夠以較低成本和高適配性快速推向市場，李思敏開始對現有的IGBT結構進行優化，進而創新了另一種架構——聯柵功率管，發明了一種特殊的細微元胞（~10微米）的GAT（聯柵晶體管）。相較于IGBT，GAT管的優勢在于發熱低、能效高，安全工作區大。
在1996年到2012年之間，李思敏和北京山貝公司、深圳盛元半導體公司合作，賣出上億只GAT管。
2012年，李思敏成立優捷敏公司，一心埋頭鉆研做技術，希望能夠突破限制，讓中國企業能夠放心使用國產半導體芯片。在李思敏的女兒李連宇為父親的芯片夢奔走尋求融資時，投資人的一句話，讓他們醍醐灌頂，從而開啟了轉型之路：“產品這么好的特性，高壓大電流也是咱們國家急需的，節能燈不需要這么好的特性，你這個技術為什么不做高壓大電流？”李連宇說。
李思敏自此開始研究高壓大電流產品。在前期GAT管技術已經非常成熟的前提下，很快，李思敏就在2018年推出了GATH（聯柵晶閘管Gate Associated THyristor）。GATH突破了IGBT的最高電流密度，具有耐高溫、高功率、魯棒性更強、低成本等優勢，適用于柔性直流輸電、軌道交通、風電等高壓高電流場景，它在高壓大電流的條件下耐用性更長，這也正是中國芯片行業亟待解決的問題。
- 優捷敏1700V 100A 單顆芯片 -
“公開資料表明，IGBT的最高電流密度是800A/cm2，實驗數據表明1200V相同規格的 GATH的電流密度已經達到25000A/C㎡ 。這說明GATH的抗電流沖擊能力較強，就好比防洪堤，IGBT是一層樓，GATH抗電流浪涌的防洪堤高十層樓。所以，GATH的魯棒性遠遠強于IGBT。”李思敏描述。
- 優捷敏1700V 400A GATH 六寸片 -
既然成本更低、耐用性更強，為何技術在國內遲遲得不到應用推廣？
“我們做的是基礎創新。一個產業，還需要協同創新和系統創新。我們只有做芯片的能力?！崩钏济粽f，芯片研發出來之后，還要封裝模塊、開發驅動線路，制作成整機，檢測鑒定，然后進行市場推廣。
“這是一個很大很復雜的生態系統。我們是無能為力的?！崩钏济粽f。
柔性直流輸電、高鐵、風電等大項目的系統集成，非個人一己之力能為。“從電壓型再換回電流型，線路和系統的整機測試，需要大公司或者國家支持才能做。”曾經赴美學習的李思敏感觸很深，美國的產業鏈協同創新和系統創新已經配合很成熟，而國內缺乏這種協同創新。
目前GATH產品最高耐壓已經做到1700V 400A，李思敏也因此先后獲得10多項中國發明專利，正在申請國際發明專利。而李思敏認為，如果有資金支持，很容易做出來3300V 、6500V 、甚至8000V 200A（8吋線） GATH產品。李思敏認為，GATH將在柔性直流輸電和特高壓領域發揮重要作用。
西電東送，實現風電、光伏、整個可再生能源在全國范圍內的配置，預計“十四五”期間直流輸電工程總投資規模接近4000億元，其中功率半導體（IGBT、晶閘管）投資450億元。柔性直流輸電在新型電力系統建設中是結構性機會。
柔性直流輸電的發展對功率器件提出新的要求：更高電壓、更大電流、更低損耗及更高結溫。目前,IGBT很難滿足柔直的需要。主要是IGBT受結構天花板閂鎖的局限，越是高壓大電流、高溫，IGBT約容易因閂鎖引起過流失效。因此，IGBT很難做更大功率規格芯片，IGBT模塊功率容量難以再提高。由于閂鎖，高壓大電流應用IGBT的抗雪崩能力也較脆弱。目前柔直應用4500V/3000A IGBT模塊，串并聯幾百個IGBT模塊，損耗大、控制復雜、成本昂貴。為了控制IGBT因閂鎖導致的過流失效，采用的故障支路，系統控制復雜，維修成本較高，使得目前柔性直流輸電的成本是直流輸電的1.5倍。因此，IGBT閂鎖的天花板，制約了柔性直流輸電的發展。
GATH是一種先進的IGCT，具有晶閘管的高壓大電流、高可靠、低成本的優點，又加上聯柵結構，把重復單元縮小，突破了IGCT因元胞大，di/dt dv/dt局限，驅動功耗為IGCT 1/10，驅動比IGCT簡單得多。
以張北柔直工程為例，如果采用8000V/ 6000A 壓接式GATH模塊代替4500V /3000A壓接式IGBT，可以使柔直電網的電壓輸出增加一倍，從±500KV增加到±1000KV，柔直電網的額定輸出能力450萬千瓦能夠增大3倍，達到1800萬千瓦。并且故障率將大幅度下降，預計降低1-2個數量級。GATH滿足柔性直流輸電對功率器件高壓大功率、抗雪崩能力強、更高結溫和更低損耗的要求，將促進柔性直流輸電的更快發展。
優捷敏整個團隊只有3位成員，創始人李思敏如今82歲，對技術初心不改。CEO是創始人的女兒李連宇，經歷過資金鏈斷裂、與合作企業分裂，為技術研發父女二人兩度賣房。在40平方米的小屋里，李思敏打造出了自主研發的國產高壓大電流半導體器件。
李思敏的女兒李連宇曾是一位大學老師，生活在校園環境的舒適圈里。她曾見到合作企業代表為了買下父親的技術，反復上門商討股權合作，最終以父親堅持自我而告終的失敗結局；也曾經歷過父親為了支撐研究，兩度賣房的困難時刻，這些經歷讓她更加堅定，一定要把父親的半導體技術傳承下去。
2012年，李思敏成立優捷敏半導體技術公司，三年后技術成熟，準備推上市場。當時李連宇的弟弟辭了職，一心為父親跑市場，李連宇和先生商量，把他們自己的房子賣了，給父親做啟動資金。2015年開始，李連宇也從大學校園辭職，開始全職幫父親跑市場。
- 優捷敏半導體CEO 李連宇 -
“做半導體是一件十分燒錢的事情，從人員組建、產品設計、到工廠加工、再到交付給合作企業，這個鏈條上環節太多，一旦出了問題，企業就會處于生死邊緣。很快，賣房的錢就燒完了?！崩钸B宇回憶。
當時優捷敏合作了一家芯片加工廠，雖然優捷敏已經有了一部分訂單，但由于工廠產能限制，對產品的產量有要求，如果達不到，就會考慮將這條生產線砍掉，再加上優捷敏資金短缺，有部分貨款無法支付，李思敏權衡再三，不想讓自己20多年的心血白費，賣掉了自己當時的住房。
賣掉住房后，李思敏搬進了北京北三環40多平方米租來的一室小屋，將這里作為自己的“研究基地”，繼續和半導體技術“纏斗”。為了潛心做研究，更是拒絕了女兒搬來同住照顧的請求。
李連宇回憶起自己還是大學老師的時候，父親因為想專心做自己的技術，而非快速商業化賺取利潤，拒絕了深圳一家企業的合作。在沒有任何支持和幫助的情況下，父親依舊堅持每天思考、閱讀前沿期刊、自己掏錢購買材料、做實驗。有一次她去看望父親，聊到了夜里11：30，起身準備離開的時候，回過頭就看見70多歲的父親，在昏暗的燈光下，佝僂著背，做實驗，像一個孤軍奮戰的戰士。
“在科學上一旦有一個新想法，他馬上就要去動手去做實驗?！崩钸B宇說，“我回頭看他那一瞬間的時候，我就想我一定要幫我父親做這個東西，這是父親的一輩子科研成果，這是我們國家核心的東西，我一定要保持下來?！?/span>
李思敏希望自己的技術能夠應用于更大的場景，如柔性直流輸電 、軌道交通、光伏、儲能、風電、新能源汽車等。
李連宇認為，工藝、材料、設計決定了一個芯片的品質。
“我父親花幾十年的時間不是在做一個單個產品，而是在研發一整個工藝平臺?！?/span>
芯片的制造工藝包括濕洗、光刻、離子注入、蝕刻、等離子清洗、熱處理、化學氣相淀積、物理氣相淀積 、電鍍處理、化學/機械表面處理、晶圓測試、晶圓打磨、封裝等多個環節。
從1996年研發GAT開始，到今天推出GATH管，形成一整套完善的工藝流程，前后20多年。
在工藝平臺成熟后，芯片的底層結構就不需要大調整，剩下的就是一些微調。一方面是外延片。
另一方面是設計，好的設計可以用最大化發揮芯片的效能，現在，李思敏教授一般用一兩周就可以做好設計。
如今優捷敏不再處于0-1的研發階段了，現在可以基于工藝平臺快速推新產品上市。
GATH管雖然在實驗數據上表現優異，遠強于IGBT，但由于缺乏整機測試、廣泛的場景測試、極限測試等，暫時沒有人給出準確的結論和明朗的前景。
但幸運的是，2021年底，優捷敏獲得了國家電網的支持，入駐了“雙創孵化平臺”。有了國家的支持，李思敏終于能夠夠實現對GATH周邊線路調整、測試芯片的各種特性，也是在國家電網的支持下，優捷敏開始制作光伏和風電領域制作樣機。同時，李連宇也繼續幫助父親尋找天使輪融資，希望擴大團隊，擴大生產能力。
“我父親常說，這件事情我死了也會有人做。我曾經很疑惑，你如果死了，怎么還會有人做？但他相信聯柵架構是功率器件底層架構的創新，這個方向一定會有人繼續做好它?！崩钸B宇說。
李思敏堅信聯柵架構的功率管GATH和GAT，優于絕緣柵架構的功率管IGBT，MOS和第三代半導體SIC MOS。GATH的魯棒性十倍于IGBT，GAT的高能效和高功率密度與SIC MOS相當而成本僅為其20%。
李思敏新開發出了取代MOS管的逆導型聯柵晶體管（RCGAT），已進入流水線制造階段，2022年底將面世。RCGAT是新能源電動車充電樁的核心零部件，可解決快充問題。GAT具有高頻（100KHz）、高功率密度、高能效、低成本的優勢，可以提高整機功率密度，優化散熱系統，縮小充電模塊體積，將成為解決電動汽車里程焦慮的功率芯片的新技術路徑。
“國內尚未有50kw以上的快充功率器件?！崩钏济粽f，珠三角一些制造商已經找上門來等流片了。
也許優捷敏不會是第一個完成GATH管整機測試的公司，李思敏也不會是那個“第一個吃螃蟹”的人，但在國產半導體功率器件的這條路上，永遠都會有他們的影子。
* 張藝煒對本文亦有貢獻
參考資料：
