在与功率半导体结缘的三十余年以来，刘国友率领中车功率半导体技术创新团队栉风沐雨、砥砺奋进，解决了功率半导体一个又一个“卡脖子”技术难题.
刘国友，博士，教授级高级工程师，中车科学家，功率半导体与集成技术全国重点实验室副主任，西南交通大学中车时代微电子学院副院长，长期从事功率半导体关键技术攻关与产业化工作。他潜心钻研，主持研制了首只6英寸特高压直流输电晶闸管；他栉风沐雨，率先突破了高铁IGBT（绝缘栅双极晶体管）芯片关键技术，引领8英寸高压IGBT芯片产业化；他砥砺前行，主持研制了全球最大容量600A/4500V IGBT芯片、最高功率密度3600A/4500V压接封装IGBT模块。他润物无声，孜孜不倦为功率半导体产业培育技术人才，率领中车IGBT技术研发与产业化创新团队一往无前。
不论是在高压IGBT、超大功率晶闸管、SiC（碳化硅）等 “卡脖子”芯片技术领域实现自立自强，亦或是高铁、高压直流输电、新能源等高端装备的技术创新与自主可控，他为我国大功率半导体技术从跟跑到局部领先，做出了系统性、开创性贡献。
危难时刻，方显英雄本色
1990年7月，刘国友从武汉大学研究生毕业来到湖南株洲，加入株洲电力机车研究所（以下简称株洲所）工作。株洲是是中国“电力机车之都”，功率半导体作为电能转换与控制的“CPU”，是铁道电力牵引的动力之源，刘国友就是在这里开启了自己与功率半导体结缘的职业生涯。
那时株洲所的功率芯片都要送到北京原子能院去辐照加工，一去一来至少一个星期，既浪费时间，也增加了成本，电子辐照成为了功率半导体产业发展瓶颈。当时半导体材料辐照改性的应用也刚刚开始，功率半导体辐照加工装备与工艺都比较简陋，难以满足高端功率半导体加工需要，因此株洲所决定自己上辐照加工能力。辐照加工离不开电子直线加速器，涉及材料、机械、自动控制和高能物理、微波技术、高功率脉冲电源等多学科交叉融合，系统非常复杂，且对辐射计量与防护有特殊要求，技术难度很大。刘国友主动请缨，知难而上，经过深入的调研和细致的分析，他组织国内相关高校、科研院所研发资源，协同攻关，研制了国内第一套半导体辐照专用12Mev电子辐照直线加速器，开发了先进的电子辐照工艺，使株洲所成为全球第一个拥有这种工艺能力的半导体企业，不仅降低了功率半导体制造成本，缩短了生产周期，同时也提高了产品质量，为株洲所进军高压直流输电市场打下了坚实的基础。
随着国民经济的迅速发展和环境保护的需要，能源基地集约化开发、大规模远距离输送已成为国内电力生产和消费的最主要模式。我国能源基地主要分布在西南和西北地区，工业用电负荷中心则主要集中在我国东部、南部及中部地区等经济发达地区，两中心相差 1000-3000 km 甚至更远，因此高压直流输电，特别是特高压直流输电发挥着越来越重要的作用。
晶闸管具有导通损耗低、功率容量大的优势，在电力系统、工业装备和脉冲电源中应用广泛。高压直流输电作为晶闸管的高端应用场景，长期被国外“卡脖子”。2006年，国家电网公司自主开发特高压直流输电技术，以实现更大容量、更远距离的电力传输，当时主流的5英寸7200V晶闸管电流、电压容量难以满足工程需要，急需研发6英寸4000A/8000V高压晶闸管。国外公司漫天要价，要求先支付一大笔研发经费，并且承诺一定数量的工程项目。僵持之下，国家电网公司找到了株洲所，于是攻关6英寸8000V高压晶闸管这个艰巨任务又一次落在刘国友的肩上。他主持制定了缜密可行的技术方案，对项目中诸多不确定因素进行分析排序，制定了相应的技术解决方案，带领项目组成员“5+2”、“白+黑”，潜心钻研，克服了先期生产设备、试验能力不足等诸多困难，短短几个月的时间，终于不负众望研制出了全球首只6英寸4000A/8000V特高压直流晶闸管，在此基础上，他主持了数轮技术迭代与优化，设计开发了新一代超大容量6英寸5000A/8500V高压晶闸管，不仅解决了国家特高压直流输电技术创新与工程建设的燃眉之急，同时将产品成本降低了一半，得到了国家电网公司的充分认可与高度评价，“打破国外公司在这一技术领域的垄断地位，促进国内功率半导体器件技术进步和特高压直流输电产业的发展，具有重大的战略意义。”这也为中国中车功率半导体产业与国内电力行业的技术合作打下了坚实的基础。
作为技术负责人，他主持了“大尺寸半导体器件研发与产业化”建设项目，自主建成国内首条6英寸晶闸管生产线，开发特高压直流输电6英寸晶闸管检验成套技术，建成国内外容量最大、试验能力最强的特高压直流输电晶闸管检验检测中心，形成具有国际先进水平的6英寸8500V特高压直流晶闸管设计、制造、试验完整技术体系与能力，先后制造了10万余只特高压直流输电晶闸管、支撑了国内外20余个高压直流工程，并走出国门，为巴西美丽山特高压直流输电项目提供了6000余只6英寸晶闸管，实现了晶闸管技术从跟跑到全球领先，获评国家“制造业单项冠军产品”称号。
“特大功率电力电子器件技术研发及推广应用”获2010年国家科技进步奖二等奖。
累土聚沙，实现高铁牵引芯片自立自强
21世纪中国铁路进入高速重载时代，急需开发高压IGBT技术来支撑交流传动技术的发展。作为电力电子技术核心基础器件和轨道交通领域的主流技术，IGBT负责将电能转换为列车动力，并控制列车牵引功率与速度，面临极端应用载荷与运行工况考验，耐受电压高、电流容量大、开关速度快，被誉为大功率电力牵引传动系统的“高铁之心”。
轨道牵引用 IGBT 不仅要满足我国轨道交通多气候、宽地域的运行环境和复杂载荷应用工况等可靠性要求，而且要能够以微米级的精细结构承受数千伏的高压、数千安的大电流，技术门槛高，制造难度大，彼时高压 IGBT 技术仅为极少数几个国外公司所垄断，国内IGBT长期依赖进口，严重制约了轨道交通等高端装备技术的安全发展。2009 年温家宝总理在视察株洲所时嘱托道“要为国分忧，尽快攻克 IGBT 芯片技术，实现国产替代，支撑中国高铁产业可持续发展”。
刘国友从2008年开始主持大功率IGBT芯片与模块技术的研究与开发，作为骨干成员全程参与了对英国Dynex的战略并购与业务整合工作，2009年初被派驻英国担任Dynex全球技术总监。初到英国，工作千头万绪，不仅要适应全新的工作环境和文化差异，而且面临工作方式方法和技术创新等各方面的巨大挑战，刘国友提议创建功率半导体研发中心，掌握新型功率半导体技术创新的主动权。在公司支持下，2010年他着手组建功率半导体林肯研发中心，主持制定中心的使命愿景、体系构架、研究方向，整合研发资源，聚焦IGBT和碳化硅技术，搭建国际化研发团队，建设国际影响力的功率半导体技术研究与创新中心。研发中心成立以来，他以身作则，先当学生再当先生，吸引并培育了一大批优秀的功率半导体设计、工艺和应用工程师，不拘泥于成熟的技术体系，敢于突破原有的技术框架，探索出一条开放式创新的技术路线。功率半导体英国林肯研发中心在攻克IGBT关键核心技术、推动IGBT技术进步与产业化等方面发挥了巨大作用，在孕育IGBT技术研发与产业化创新团队、创建新型功率半导体器件国家重点实验室等方面也发挥了独特优势。
攻克IGBT技术是国内电力电子行业多年的夙愿，存在IGBT技术难度、技术积淀和投资强度等诸多障碍，一直未能突破，特别是芯片背面技术与工艺。当时国外主流技术是背面离子注入后通过高温推进实现缓冲层结构，长时间的高温过程会影响芯片正面已经完成的杂质分布与结构，正反两面工艺互相牵制，难以同时实现整体参数优化与功能。这只拦路虎同样趴在中车IGBT团队面前，如果不突破，高铁IGBT的自主可控势必遥遥无期，更会成为新能源汽车等中低压IGBT不可逾越的技术障碍。
绕不过去就必须想办法攻克。刘国友想到既然背面高温工艺对芯片正面结构有影响，那么是否可以降低背面工艺温度？但现有技术手段很难实现数十微米的掺杂分布。基于深厚的技术功底，经过大量的调研分析，他提出了一条充满挑战但价值巨大的全新技术路线，利用氢离子原子半径小、高能氢离子注入深度深的独特优势，并说服一家国外著名公司定制开发高能质子注入机，结合激光退火工艺，完美地解决了IGBT背面工艺难题，不仅简化了IGBT芯片制造工艺，提高了制造效率，而且也为车规IGBT等中低压芯片的背面减薄工艺提供了完美的技术解决方案，已成为国内外IGBT芯片制造的标准技术路径，为IGBT芯片制造技术发展贡献了中车智慧。
在IGBT技术攻关过程中，他主持攻克了高耐压、低损耗、高可靠性的技术瓶颈，首创以高能氢离子注入为核心的低温缓冲层技术，一举突破IGBT芯片背面工艺难题，形成了有中国特色的高压IGBT技术体系，研发了8英寸IGBT芯片深结、厚膜、深槽和薄片成套特色工艺，通过自主设计、设备定制与系统集成，建成全球首条8英寸高压IGBT “芯片设计-晶圆制造-模块封装测试”的专业生产线，实现全流程智能制造与数字化，引领高压IGBT从6英寸到8英寸的技术进步，被评为2014年中国半导体十大新闻事件， “它的诞生到应用，已彻底打破国外高端IGBT技术垄断，实现从研发、制造到应用的完全国产化”，自此打破了国外公司在国内IGBT市场长期的技术封锁与产品垄断，支撑了轨道交通、智能电网等战略性新兴产业的健康发展。
经过 10 余年持续不懈的努力，设计、开发了全系列IGBT芯片，综合性能达到国际先进水平，通态损耗、关断能力和短路特性等方面优于国外同类产品，实现了650V－6500V 8英寸IGBT芯片产业化，打破国外长期封锁与垄断，实现了我国 IGBT 技术从无到有、IGBT产业由弱到强的历史性跨越。
“高压大电流IGBT关键技术及应用”获2019年国家技术发明奖二等奖。
变沙成珠，支撑新型电力系统建设
6英寸高压晶闸管的研制与产业化，支撑了国家特高压直流输电技术的突破与发展，增强了国家输变电装备企业对关键核心器件国产化的信心；高压IGBT的突破与产业化，不仅解决了轨道交通与高铁“卡脖子”技术瓶颈，也为高压直流输电技术转型升级打开了一扇新的大门。
新能源的大规模开发利用与远距离传输需要一种可关断、可串联的大功率器件，IGBT是支撑新型电力系统建设的关键器件，但对 IGBT器件的功率容量、性能与可靠性要求也越来越高。日本东芝和瑞士ABB率先开发了面向大容量、能满足高压串联应用的压接封装架构，并长期垄断国内外市场。
压接IGBT的发展方向是大电流容量、双面散热和失效导向短路，最大技术挑战是如何实现数十个方形芯片高密度集成封装、并解决芯片并联后的均流难题，忽略芯片本身参数均匀性的影响，并联芯片之间的电流分布主要取决于各支路压力均衡机制及其接触电阻、热阻一致性。降低并联维度、提高单芯片电流是一个更好的解决方案，但对芯片设计与制造也提出了更高要求。
国内压接IGBT开发起步较晚但起点很高。肩负国家战略和重大工程需求，刘国友于2010年主持开展压接封装IGBT技术研究，如何独辟蹊径实现更高密度的IGBT芯片压接封装？国际主流技术都采用圆饼状的外壳设计，但难以实现与方形IGBT芯片高密度匹配，器件电流容量受到限制。为了突破这一世界性的技术难题，他冥思苦想，绞尽脑汁，却始终跳不出国外公司精心策划的专利布局项目一度陷于停顿。在一次从英国回来的航程中缪斯降临，一个方形陶瓷密封的技术方案映入脑际，豁然开朗。只要解决大尺寸方形陶瓷的制作方法，就可以较好的实现高功率密度和超大容量压接封装。说干就干，回国后他立刻找到无锡天杨公司一同攻关。但大尺寸方形陶瓷国内外也没有成功的经验，攻关道路并不平坦，受四角应力的影响，陶瓷烧制过程中成品率很低，加工尺寸很难控制，历时一年多终于攻克了大尺寸方形陶瓷密封管壳制造难题，解决了高功率密度封装问题。
为了实现更均匀的芯片电流分布，刘国友团队又聚焦高压IGBT元胞超大规模集成技术和大尺寸芯片开发这一前沿技术，通过把宏观层面的 IGBT 芯片均流转换成微观层面元胞间的开关同步来解决 IGBT 封装过程中的芯片均流与可靠性问题。提出坚强元胞及其栅极低时延互连结构，发明了大电流芯片光刻拼版曝光方法，突破了大规模元胞集成触发同时、开关同步和工艺加工的技术难题，芯片有效面积增加9倍，电流容量提高了12倍，研制了世界领先水平的600A/4500V增强型压接IGBT芯片，并展示出优越的综合性能和强鲁棒性。通过更少芯片并联、更均匀的电流分布实现了更大的电流容量、更高的可靠性，为 IGBT 器件并联芯片之间的均流问题提供了一个全新的技术解决方案。
通过8年持续攻关，终于突破了大尺寸压接型高压IGBT 芯片、力学增强一体化子模组及其自适应压力均衡机制为核心的柔性压装技术，封装外壳台面利用率提升20%，功率密度达到40kVA/cm2，比国外同类产品提升37%，突破了芯片均压、均流和功率密度技术瓶颈，实现了全球功率密度最高的3600A/4500V超大容量压接封装，“打破国外技术封锁并达到世界领先水平”，并在张北直流电网、乌东德和白鹤滩等重大柔性直流输电标志性工程中成功应用，累计实现产值23.1亿元，助力国家能源转型和新型电力系统建设，支撑了我国大容量输电技术从传统直流到新一代柔性直流的跨越发展。
“柔性电网用大容量压接封装IGBT关键技术及应用”获2021年度湖南省技术发明一等奖、湖南专利奖特别奖、中国专利银奖。
珠落玉盘，双碳征程见证产业高光时刻
降低 IGBT 芯片损耗、提高功率密度和可靠性始终是 IGBT 芯片技术一个主攻方向，尤其是乘用车这样高温、高湿、高振动的应用环境，对于体积和重量要求特别严格，功率密度和可靠性是考量汽车 IGBT 模块性能的主要参数。
基于8英寸IGBT工艺平台，刘国友主持了亚微米级精细沟槽技术与超薄片工艺技术研发，以高能氢离子注入为核心的低温缓冲层技术较好地解决了超薄片加工技术难题。随着IGBT精细沟槽技术的推进，简单地通过缩小元胞尺寸来降低芯片损耗、提高功率密度的技术路线遇到了天花板。元胞尺寸减小，基于高温和高电场下的载流子输运同样会产生小尺寸效应，高深宽比沟槽给元胞接触窗口和欧姆接触带来了极大的技术挑战，器件的精细化设计和精细制造工艺协同已经成为当前功率半导体行业的主要发展方向之一。
为了解决芯片精细化设计与精细加工之间的矛盾，刘国友团队发明了嵌入式发射极（RET）精细沟槽IGBT结构，在沟槽栅IGBT结构中引入发射极沟槽，扩充了发射极接触窗口，极大地改善了发射极欧姆接触，拓宽了关断时载流子路径，提升IGBT芯片关断速度与功率密度，改善IGBT芯片开关可靠性，实现芯片结构亚微米级精细化的突破，取得美国和欧盟发明专利。该技术支撑了系列车规级高电流密度芯片及模块产品开发与产业化，实现国产IGBT产品在电动汽车领域160kW及以上高端应用场景的突破，打破国外产品与技术的长期垄断，保障我国新能源汽车IGBT芯片的自主、安全、可控，推动国内新能源汽车产业快速、可持续发展，提升了国产芯片在汽车IGBT领域的话语权。
同时刘国友还负责“新能源汽车用IGBT”和“汽车IGBT研发与试制能力建设”等国家重大产业化项目实施，以国际一流的第6代IGBT技术为基础，于 2020 年9月自主建成了一条8 英寸、月产 2 万片汽车级 IGBT 芯片生产线，形成车规芯片设计、制造、封装与测试等全套能力，为持续开展芯片精细化和功能集成技术提供了一个先进技术平台，满足年产 240 万台新能源汽车应用需要，将有力支撑我国新能源汽车产业的蓬勃发展，为我国汽车工业提供新动力。
“车规级高电流密度精细沟槽IGBT开发与应用”获2021年中车科学技术奖特等奖。
在与功率半导体结缘的三十余年以来，刘国友率领中车功率半导体技术创新团队栉风沐雨、砥砺奋进，解决了功率半导体一个又一个“卡脖子”技术难题，实现了大功率高压晶闸管、IGBT技术的自主可控和高质量发展，推动了特高压直流输电、高速铁路技术的自立自强。我们相信：在以SiC为代表的第三代半导体的国际竞争中，他们将续写新的传奇！
刘国友从事功率半导体技术和产业化30余年，先后承担国家级项目10余项，获得国家科技奖二等奖2项，省部级一等奖10项，授权发明专利120余项，PCT发明专利5项；发表论文90余篇，参与3部专业著作编写；是IGBT技术研发与产业化国家重点领域创新团队负责人，入选国家“万人计划”创新领军人才，享受国务院政府特殊津贴,获2015年中国电子学会“十佳优秀科技工作者”、2020年“湖南光召科技奖”和2022年“杰出工程师奖”等荣誉。