“世界功率器件市场规模亿美元，国内市场占一半以上。但90%依赖进口，特别是高端芯片。”李思敏感慨，九十年代那会儿，国产与国际先进水平的半导体器件仍然有很大差距。上世纪80年代，中国半导体器件从第一代电子管向第二代晶体管的过渡，而世界已经进入现代电力电子器件时代，IGBT即将成为主流。直到九十年代，中国的第一支高压IGBT才诞生，这款芯片由功率半导体器件专家黄勤设计，李思敏负责工艺制作。半导体行业按照产品分为两大类，一类相当于人类的大脑神经，这就是目前闹供应荒的紧缺的集成电路芯片（IntegratedCircuitChip）；另一类相当于人的四肢，被称为功率半导体器件（PowerSemiconductorDevice），中高端产品同样高度依赖进口。IGBT，绝缘栅极双极型晶体管，小到电焊机、电磁炉，中到新能源汽车充电桩，大到轨道交通、电网、航空航天、风电风机运转的“CPU”都是它，应用场景广泛。在半导体芯片这样的重要技术元件上，越是依赖进口，就越是容易被进口国家“卡脖子”。年，中美关系陷入紧张，美方宣布对部分中国企业进行制裁，严密监控对中国的芯片出口，一场没有硝烟的战争就此拉开。而随着疫情到来，全球陷入芯片短缺危机，加快了中国功率芯片研究的步伐。半导体芯片技术是几乎所有现代技术的基础，高铁、轨道交通、风电、电网、船舶、军工、大型设备等国家支柱行业都离不开功率芯片。然而设计制造一款新型芯片，动辄耗费千万、耗时数年。主要难在架构设计、制造工艺、研发周期上：设计一款芯片，科研人员要芯片“规范”，定义诸如指令集、功能、输入输出管脚、性能与功耗等关键信息，将电路划分成多个小模块，清晰地描述出对每个模块的要求。然后由“前端”设计人员根据每个模块功能设计出“电路”，运用计算机语言建立模型并验证其功能准确无误。“后端”设计人员则要根据电路设计出“版图”，将数以亿计的电路按其连接关系，有规律地翻印到一个硅片上。至此，芯片设计才算完成。如此复杂的设计，不能有任何缺陷，否则无法修补，必须从头再来。制造工艺复杂。一条芯片制造生产线大约涉及50多个行业，一般要经过至道工艺流程。投入大、研制周期长。一款复杂芯片，从研发到量产，要投入大量人力、物力和财力，时间至少要3至5年，甚至更长。IC是如此，功率芯片也是如此。研发一款新芯片需要研发团队、资金、产业链相互配合，其中研发者对新技术路线的判断与坚持尤为重要。“在半导体的路上，没有捷径，我们只能去走最艰苦的道路。现在做最难的事才能让以后变得容易。”李思敏的女儿李连宇告诉小饭桌。-功率半导体的应用范围-李思敏是中国第一个高压绝缘栅双极型晶体管（IGBT）的参与制造者，创立了半导体公司优捷敏，先后研发了GAT管、GATH管，获得10多项中国专利。如今李思敏已82岁，依旧在技术研发上孜孜不倦：他新开发出的取代MOS管的逆导型联栅晶体管（RCGAT），已进入流水线制造阶段。82岁的李思敏与他的芯片梦-优捷敏创始人CTO李思敏-李思敏的芯片梦植根于青少年时期。年，16岁的李思敏考上了北京大学物理系，学习半导体物理；大学时，李思敏曾和同学们目睹前苏联的人造卫星飞过头顶，在那个技术匮乏、工业基础薄弱的年代，这群青年人在心中默默地埋下了科技报国的种子。为着这颗种子，李思敏付出了半生的时间。大学毕业后，李思敏被分配到了北京市无线电器件研究所。年，参加了与清华大学微电子所联合攻关的微处理器的工作。他的经历覆盖了半导体行业多个产品领域。上世纪80年代初，全世界的第三代半导体功率器件研究正如火朝天。以金属—氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）、绝缘栅双极型晶体管（IGBT）为主的第三代功率器件兴起，彼时的中国，正处于百废待兴的改革开放浪潮之中，半导体器件还在从第一代电子管向第二代晶体管过渡。而当时，IGBT的核心技术和产业为大多数欧美、日本半导体厂商所掌控，全世界的IGBT芯片的进口都仰赖于此，中国也不例外。那时期，中国开始实施“八五”国家重点科技项目（攻关）计划，在电力电子器件及应用方面力争突破，改变在电子技术发展上受制于人的状况。半导体器件专家黄勤通过朋友介绍，认识了时任北京半导体器件研究所高技术实验室副主任的李思敏。年，由黄勤设计，李思敏负责工艺制作，二人合作研发出了中国第一支高压IGBT，打破了国际上的垄断。年，北京市电子振兴领导小组办公室举行了一场头脑风暴，集齐半导体业界最优秀的人才，每半个月召开一次中国电力电子研讨会。在这场汇集了全中国最优秀、最有天赋的半导体研究人才盛会上，李思敏接受了来自国内外的先进的半导体研究思路。这场学术之旅，为他后续自主创新GAT、GATH管埋下了种子。年，李思敏被派到美国学习最新的半导体器件沟槽型IGBT全套技术，为回国后的研究工作打下基础。回国后，正当李思敏准备将学成技术大展身手之时，却遇上了90年代的银行改制。原来合作的银行不再投资李思敏所在公司的电子电力研究项目，李思敏的研究之路中断。年，为了提升国产IGBT的性能，使之能够以较低成本和高适配性快速推向市场，李思敏开始对现有的IGBT结构进行优化，进而创新了另一种架构——联栅功率管，发明了一种特殊的细微元胞（~10微米）的GAT（联栅晶体管）。相较于IGBT，GAT管的优势在于发热低、能效高，安全工作区大。在年到年之间，李思敏和北京山贝公司、深圳盛元半导体公司合作，卖出上亿只GAT管。年，李思敏成立优捷敏公司，一心埋头钻研做技术，希望能够突破限制，让中国企业能够放心使用国产半导体芯片。在李思敏的女儿李连宇为父亲的芯片梦奔走寻求融资时，投资人的一句话，让他们醍醐灌顶，从而开启了转型之路：“产品这么好的特性，高压大电流也是咱们国家急需的，节能灯不需要这么好的特性，你这个技术为什么不做高压大电流？”李连宇说。李思敏自此开始研究高压大电流产品。在前期GAT管技术已经非常成熟的前提下，很快，李思敏就在年推出了GATH（联栅晶闸管GateAssociatedTHyristor）。GATH突破了IGBT的最高电流密度，具有耐高温、高功率、鲁棒性更强、低成本等优势，适用于柔性直流输电、轨道交通、风电等高压高电流场景，它在高压大电流的条件下耐用性更长，这也正是中国芯片行业亟待解决的问题。-优捷敏VA单颗芯片-“公开资料表明，IGBT的最高电流密度是A/cm2，实验数据表明V相同规格的GATH的电流密度已经达到2A/C㎡。这说明GATH的抗电流冲击能力较强，就好比防洪堤，IGBT是一层楼，GATH抗电流浪涌的防洪堤高十层楼。所以，GATH的鲁棒性远远强于IGBT。”李思敏描述。-优捷敏VAGATH六寸片-既然成本更低、耐用性更强，为何技术在国内迟迟得不到应用推广？“我们做的是基础创新。一个产业，还需要协同创新和系统创新。我们只有做芯片的能力。”李思敏说，芯片研发出来之后，还要封装模块、开发驱动线路，制作成整机，检测鉴定，然后进行市场推广。“这是一个很大很复杂的生态系统。我们是无能为力的。”李思敏说。柔性直流输电、高铁、风电等大项目的系统集成，非个人一己之力能为。“从电压型再换回电流型，线路和系统的整机测试，需要大公司或者国家支持才能做。”曾经赴美学习的李思敏感触很深，美国的产业链协同创新和系统创新已经配合很成熟，而国内缺乏这种协同创新。目前GATH产品最高耐压已经做到VA，李思敏也因此先后获得10多项中国发明专利，正在申请国际发明专利。而李思敏认为，如果有资金支持，很容易做出来V、V、甚至0VA（8吋线）GATH产品。李思敏认为，GATH将在柔性直流输电和特高压领域发挥重要作用。西电东送，实现风电、光伏、整个可再生能源在全国范围内的配置，预计“十四五”期间直流输电工程总投资规模接近0亿元，其中功率半导体（IGBT、晶闸管）投资亿元。柔性直流输电在新型电力系统建设中是结构性机会。柔性直流输电的发展对功率器件提出新的要求：更高电压、更大电流、更低损耗及更高结温。目前,IGBT很难满足柔直的需要。主要是IGBT受结构天花板闩锁的局限，越是高压大电流、高温，IGBT约容易因闩锁引起过流失效。因此，IGBT很难做更大功率规格芯片，IGBT模块功率容量难以再提高。由于闩锁，高压大电流应用IGBT的抗雪崩能力也较脆弱。目前柔直应用0V/AIGBT模块，串并联几百个IGBT模块，损耗大、控制复杂、成本昂贵。为了控制IGBT因闩锁导致的过流失效，采用的故障支路，系统控制复杂，维修成本较高，使得目前柔性直流输电的成本是直流输电的1.5倍。因此，IGBT闩锁的天花板，制约了柔性直流输电的发展。GATH是一种先进的IGCT，具有晶闸管的高压大电流、高可靠、低成本的优点，又加上联栅结构，把重复单元缩小，突破了IGCT因元胞大，di/dtdv/dt局限，驱动功耗为IGCT1/10，驱动比IGCT简单得多。以张北柔直工程为例，如果采用0V/A压接式GATH模块代替0V/A压接式IGBT，可以使柔直电网的电压输出增加一倍，从±KV增加到±0KV，柔直电网的额定输出能力万千瓦能够增大3倍，达到1万千瓦。并且故障率将大幅度下降，预计降低1-2个数量级。GATH满足柔性直流输电对功率器件高压大功率、抗雪崩能力强、更高结温和更低损耗的要求，将促进柔性直流输电的更快发展。GATH上市量产难创始人两度卖房优捷敏整个团队只有3位成员，创始人李思敏如今82岁，对技术初心不改。CEO是创始人的女儿李连宇，经历过资金链断裂、与合作企业分裂，为技术研发父女二人两度卖房。在40平方米的小屋里，李思敏打造出了自主研发的国产高压大电流半导体器件。李思敏的女儿李连宇曾是一位大学老师，生活在校园环境的舒适圈里。她曾见到合作企业代表为了买下父亲的技术，反复上门商讨股权合作，最终以父亲坚持自我而告终的失败结局；也曾经历过父亲为了支撑研究，两度卖房的困难时刻，这些经历让她更加坚定，一定要把父亲的半导体技术传承下去。年，李思敏成立优捷敏半导体技术公司，三年后技术成熟，准备推上市场。当时李连宇的弟弟辞了职，一心为父亲跑市场，李连宇和先生商量，把他们自己的房子卖了，给父亲做启动资金。年开始，李连宇也从大学校园辞职，开始全职帮父亲跑市场。-优捷敏半导体CEO李连宇-“做半导体是一件十分烧钱的事情，从人员组建、产品设计、到工厂加工、再到交付给合作企业，这个链条上环节太多，一旦出了问题，企业就会处于生死边缘。很快，卖房的钱就烧完了。”李连宇回忆。当时优捷敏合作了一家芯片加工厂，虽然优捷敏已经有了一部分订单，但由于工厂产能限制，对产品的产量有要求，如果达不到，就会考虑将这条生产线砍掉，再加上优捷敏资金短缺，有部分货款无法支付，李思敏权衡再三，不想让自己20多年的心血白费，卖掉了自己当时的住房。卖掉住房后，李思敏搬进了北京北三环40多平方米租来的一室小屋，将这里作为自己的“研究基地”，继续和半导体技术“缠斗”。为了潜心做研究，更是拒绝了女儿搬来同住照顾的请求。李连宇回忆起自己还是大学老师的时候，父亲因为想专心做自己的技术，而非快速商业化赚取利润，拒绝了深圳一家企业的合作。在没有任何支持和帮助的情况下，父亲依旧坚持每天思考、阅读前沿期刊、自己掏钱购买材料、做实验。有一次她去看望父亲，聊到了夜里11：30，起身准备离开的时候，回过头就看见70多岁的父亲，在昏暗的灯光下，佝偻着背，做实验，像一个孤军奋战的战士。“在科学上一旦有一个新想法，他马上就要去动手去做实验。”李连宇说，“我回头看他那一瞬间的时候，我就想我一定要帮我父亲做这个东西，这是父亲的一辈子科研成果，这是我们国家核心的东西，我一定要保持下来。”李思敏希望自己的技术能够应用于更大的场景，如柔性直流输电、轨道交通、光伏、储能、风电、新能源汽车等。李连宇认为，工艺、材料、设计决定了一个芯片的品质。“我父亲花几十年的时间不是在做一个单个产品，而是在研发一整个工艺平台。”芯片的制造工艺包括湿洗、光刻、离子注入、蚀刻、等离子清洗、热处理、化学气相淀积、物理气相淀积、电镀处理、化学/机械表面处理、晶圆测试、晶圆打磨、封装等多个环节。从年研发GAT开始，到今天推出GATH管，形成一整套完善的工艺流程，前后20多年。在工艺平台成熟后，芯片的底层结构就不需要大调整，剩下的就是一些微调。一方面是外延片。另一方面是设计，好的设计可以用最大化发挥芯片的效能，现在，李思敏教授一般用一两周就可以做好设计。如今优捷敏不再处于0-1的研发阶段了，现在可以基于工艺平台快速推新产品上市。GATH管虽然在实验数据上表现优异，远强于IGBT，但由于缺乏整机测试、广泛的场景测试、极限测试等，暂时没有人给出准确的结论和明朗的前景。但幸运的是，年底，优捷敏获得了国家电网的支持，入驻了“双创孵化平台”。有了国家的支持，李思敏终于能够够实现对GATH周边线路调整、测试芯片的各种特性，也是在国家电网的支持下，优捷敏开始制作光伏和风电领域制作样机。同时，李连宇也继续帮助父亲寻找天使轮融资，希望扩大团队，扩大生产能力。“我父亲常说，这件事情我死了也会有人做。我曾经很疑惑，你如果死了，怎么还会有人做？但他相信联栅架构是功率器件底层架构的创新，这个方向一定会有人继续做好它。”李连宇说。李思敏坚信联栅架构的功率管GATH和GAT，优于绝缘栅架构的功率管IGBT，MOS和第三代半导体SICMOS。GATH的鲁棒性十倍于IGBT，GAT的高能效和高功率密度与SICMOS相当而成本仅为其20%。李思敏新开发出了取代MOS管的逆导型联栅晶体管（RCGAT），已进入流水线制造阶段，年底将面世。RCGAT是新能源电动车充电桩的核心零部件，可解决快充问题。GAT具有高频（KHz）、高功率密度、高能效、低成本的优势，可以提高整机功率密度，优化散热系统，缩小充电模块体积，将成为解决电动汽车里程焦虑的功率芯片的新技术路径。“国内尚未有50kw以上的快充功率器件。”李思敏说，珠三角一些制造商已经找上门来等流片了。也许优捷敏不会是第一个完成GATH管整机测试的公司，李思敏也不会是那个“第一个吃螃蟹”的人，但在国产半导体功率器件的这条路上，永远都会有他们的影子。*张艺炜对本文亦有贡献参考资料：1资料来源：一种新型IGCT——GATH

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