一顆中國“芯”是如何誕生的 作者丨曹文密
“世界功率器件市場規模220億美元，國内市場占一半以上。但90%依賴進口，特别是高端晶片。”李思敏感慨，九十年代那會兒，國産與國際先進水準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半導體的過渡，而世界已經進入現代電力電子器件時代，IGBT即将成為主流。
直到九十年代，中國的第一支高壓IGBT才誕生，這款晶片由功率半導體器件專家黃勤設計，李思敏負責工藝制作。
半導體行業按照産品分為兩大類，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內建電路晶片（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），中高端産品同樣高度依賴進口。
IGBT，絕緣栅極雙極型半導體，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。
在半導體晶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，嚴密監控對中國的晶片出口，一場沒有硝煙的戰争就此拉開。而随着疫情到來，全球陷入晶片短缺危機，加快了中國功率晶片研究的步伐。
半導體晶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、大型裝置等國家支柱行業都離不開功率晶片。
然而設計制造一款新型晶片，動辄耗費千萬、耗時數年。
主要難在架構設計、制造技術、研發周期上：設計一款晶片，科研人員要晶片“規範”，定義諸如指令集、功能、輸入輸出管腳、性能與功耗等關鍵資訊，将電路劃分成多個小子產品，清晰地描述出對每個子產品的要求。然後由“前端”設計人員根據每個子產品功能設計出“電路”，運用計算機語言建立模型并驗證其功能準确無誤。“後端”設計人員則要根據電路設計出“版圖”，将數以億計的電路按其連接配接關系，有規律地翻印到一個矽片上。至此，晶片設計才算完成。如此複雜的設計，不能有任何缺陷，否則無法修補，必須從頭再來。
制造技術複雜。一條晶片制造生産線大約涉及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。一款複雜晶片，從研發到量産，要投入大量人力、物力和财力，時間至少要3至5年，甚至更長。IC是如此，功率晶片也是如此。
研發一款新晶片需要研發團隊、資金、産業鍊互相配合，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，我們隻能去走最艱苦的道路。現在做最難的事才能讓以後變得容易。”李思敏的女兒李連宇告訴小飯桌。
- 功率半導體的應用範圍 -
李思敏是中國第一個高壓絕緣栅雙極型半導體（IGBT）的參與制造者，創立了半導體公司優捷敏，先後研發了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管的逆導型聯栅半導體（RCGAT），已進入流水線制造階段。
82歲的李思敏與他的晶片夢
- 優捷敏創始人&CTO李思敏 -
李思敏的晶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實體系，學習半導體實體；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，在那個技術匮乏、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。為着這顆種子，李思敏付出了半生的時間。
大學畢業後，李思敏被配置設定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。他的經曆覆寫了半導體行業多個産品領域。
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半導體（MOSFET）、絕緣栅雙極型半導體（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半導體過渡。
而當時，IGBT的核心技術和産業為大多數歐美、日本半導體廠商所掌控，全世界的IGBT晶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争突破，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，北京市電子振興上司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讨會。在這場彙集了全中國最優秀、最有天賦的半導體研究人才盛會上，李思敏接受了來自國内外的先進的半導體研究思路。這場學術之旅，為他後續自主創新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，為回國後的研究工作打下基礎。回國後，正當李思敏準備将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，為了提升國産IGBT的性能，使之能夠以較低成本和高适配性快速推向市場，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——聯栅功率管，發明了一種特殊的細微元胞（~10微米）的GAT（聯栅半導體）。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，賣出上億隻GAT管。
2012年，李思敏成立優捷敏公司，一心埋頭鑽研做技術，希望能夠突破限制，讓中國企業能夠放心使用國産半導體晶片。在李思敏的女兒李連宇為父親的晶片夢奔走尋求融資時，投資人的一句話，讓他們醍醐灌頂，進而開啟了轉型之路：“産品這麼好的特性，高壓大電流也是咱們國家急需的，節能燈不需要這麼好的特性，你這個技術為什麼不做高壓大電流？”李連宇說。
李思敏自此開始研究高壓大電流産品。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（聯栅晶閘管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，适用于柔性直流輸電、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，這也正是中國晶片行業亟待解決的問題。
- 優捷敏1700V 100A 單顆晶片 -
“公開資料表明，IGBT的最高電流密度是800A/cm2，實驗資料表明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抗電流浪湧的防洪堤高十層樓。是以，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，為何技術在國内遲遲得不到應用推廣？
“我們做的是基礎創新。一個産業，還需要協同創新和系統創新。我們隻有做晶片的能力。”李思敏說，晶片研發出來之後，還要封裝子產品、開發驅動線路，制作成整機，檢測鑒定，然後進行市場推廣。
“這是一個很大很複雜的生态系統。我們是無能為力的。”李思敏說。
柔性直流輸電、高鐵、風電等大項目的系統內建，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援才能做。”曾經赴美學習的李思敏感觸很深，美國的産業鍊協同創新和系統創新已經配合很成熟，而國内缺乏這種協同創新。
目前GATH産品最高耐壓已經做到1700V 400A，李思敏也是以先後獲得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，如果有資金支援，很容易做出來3300V 、6500V 、甚至8000V 200A（8吋線） GATH産品。李思敏認為，GATH将在柔性直流輸電和特高壓領域發揮重要作用。
西電東送，實作風電、光伏、整個可再生能源在全國範圍内的配置，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受結構天花闆闩鎖的局限，越是高壓大電流、高溫，IGBT約容易因闩鎖引起過流失效。是以，IGBT很難做更大功率規格晶片，IGBT子產品功率容量難以再提高。由于闩鎖，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子產品，串并聯幾百個IGBT子產品，損耗大、控制複雜、成本昂貴。為了控制IGBT因闩鎖導緻的過流失效，采用的故障支路，系統控制複雜，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。是以，IGBT闩鎖的天花闆，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，又加上聯栅結構，把重複單元縮小，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子產品代替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。并且故障率将大幅度下降，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，将促進柔性直流輸電的更快發展。
GATH上市量産難 創始人兩度賣房
優捷敏整個團隊隻有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，經曆過資金鍊斷裂、與合作企業分裂，為技術研發父女二人兩度賣房。在40平方米的小屋裡，李思敏打造出了自主研發的國産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适圈裡。她曾見到合作企業代表為了買下父親的技術，反複上門商讨股權合作，最終以父親堅持自我而告終的失敗結局；也曾經曆過父親為了支撐研究，兩度賣房的困難時刻，這些經曆讓她更加堅定，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，三年後技術成熟，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、産品設計、到工廠加工、再到傳遞給合作企業，這個鍊條上環節太多，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。”李連宇回憶。
當時優捷敏合作了一家晶片加工廠，雖然優捷敏已經有了一部分訂單，但由于工廠産能限制，對産品的産量有要求，如果達不到，就會考慮将這條生産線砍掉，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。
賣掉住房後，李思敏搬進了北京北三環40多平方米租來的一室小屋，将這裡作為自己的“研究基地”，繼續和半導體技術“纏鬥”。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。在沒有任何支援和幫助的情況下，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，聊到了夜裡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，佝偻着背，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。”李連宇說，“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。”
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、設計決定了一個晶片的品質。
“我父親花幾十年的時間不是在做一個單個産品，而是在研發一整個工藝平台。”
晶片的制造技術包括濕洗、光刻、離子注入、蝕刻、等離子清洗、熱處理、化學氣相澱積、實體氣相澱積 、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，前後20多年。
在工藝平台成熟後，晶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晶片的效能，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台快速推新産品上市。
GATH管雖然在實驗資料上表現優異，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，暫時沒有人給出準确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援，入駐了“雙創孵化平台”。有了國家的支援，李思敏終于能夠夠實作對GATH周邊線路調整、測試晶片的各種特性，也是在國家電網的支援下，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，擴大生産能力。
“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，怎麼還會有人做？但他相信聯栅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。”李連宇說。
李思敏堅信聯栅架構的功率管GATH和GAT，優于絕緣栅架構的功率管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管的逆導型聯栅半導體（RCGAT），已進入流水線制造階段，2022年底将面世。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，縮小充電子產品體積，将成為解決電動汽車裡程焦慮的功率晶片的新技術路徑。
“國内尚未有50kw以上的快充功率器件。”李思敏說，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，但在國産半導體功率器件的這條路上，永遠都會有他們的影子。
* 張藝炜對本文亦有貢獻
參考資料：
1資料來源：一種新型IGCT——GATH
https://www.dianyuan.com/article/57445.html
2資料來源：一種新型高能效低成本功率器件 ——聯栅半導體GAT
https://www.dianyuan.com/article/59336.html