香港大学团队造出全球首个兆瓦级氧化镓功率模块
在功率半导体领域，碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）已经成为第三代半导体的重要代表。不过，随着电力电子系统不断向更高电压、更大功率和更高功率密度发展，产业界也在寻找下一代功率半导体材料。其中，氧化镓....
功率半导体领域里，碳化硅（SiC）与氮化镓（GaN）已是第三代半导体的重要代表。电力电子系统朝更高电压、更大功率、更高功率密度演进，产业界于是把目光投向下一代功率半导体材料，氧化镓（Ga₂O₃）由此进入视野。
11月9日，Tech Xplore报道称，香港大学（HKU）工程学院电机电子工程系与先进半导体及集成电路研究中心（CASIC）的研究团队做出全球首个兆瓦级超宽禁带半导体功率模块。该模块以氧化镓为材料，可重复开关于1000V、1000A，峰值功率1MW。研究团队用器件与封装协同设计的办法，攻克了氧化镓长期存在的散热与高功率封装难题。氧化镓功率模块的功率能力借此被推到兆瓦级，这种新材料通往实际功率电子系统也多了一条新的技术路径。
论文已刊登于《Nature Communications》，题目是《A megawatt ultra-wide bandgap semiconductor module for pulsed power electronics》。
氧化镓，为什么值得关注？
功率半导体管的是电能转换和传输。新能源汽车、AI数据中心、新能源发电、电网系统，都少不了功率器件。
硅基功率器件在部分高电压、高效率应用上，性能已渐渐逼近材料自身的极限。碳化硅、氮化镓这类宽禁带半导体击穿电场更高，高频工作能力更好，功率电子技术正被它们推着升级。
氧化镓的禁带宽度比SiC和GaN更大，属于超宽禁带（UWBG）半导体材料，约为4.8eV。它能承受更高的电场，在高压功率器件领域研究价值不小。
不过，导热性差是氧化镓绕不开的一个明显弱点。
正是这个短板，让它过去很难进入高功率应用。功率器件要承受高电压和大电流，工作时发热量很大；热量若不能及时从器件内部导出，温度就会过高，性能和可靠性随之受影响。多个氧化镓器件集成进同一个功率模块后，高电压、大电流还会让封装与散热问题变得更复杂。也就是说，氧化镓耐高电场的本事虽强，可要把材料优势变成能用的功率模块，始终是产业化路上的一道坎。
器件与封装协同设计，攻克散热难题
此次
研究团队的做法是把半导体器件和封装放在一起通盘考虑，而非各管一摊，围绕电场分布、热量传导、机械应力三方面做协同优化。
他们的一项关键创新，是引入了「结区侧冷却」（Junction-side cooling）这一新架构。
传统功率器件做散热设计时，要算清楚热量从芯片发热区传到外部冷却结构这条路怎么走。这次研究团队把冷却路径挪到了更贴近半导体发热结区的位置，传导距离短了，散热效率也就上去了。
团队还加了一层高介电常数绝缘层，用来重新分配器件周边的电场，让高电压工作时的电场分布更合理。两条路子合到一起，氧化镓器件的散热变好了，模块扛高压的能力也提上来了。
实验数据是这样的：单个封装好的氧化镓器件在脉冲状态下导通了1000V电压、234A电流；结温超过250℃，器件照样能工作。
研究团队随后把6个氧化镓器件集成进一个功率模块，在1000V、1000A条件下做重复开关，工作频率1kHz，对应峰值功率达到1MW。
超宽禁带半导体多芯片模块做到兆瓦级功率水平，这是头一回。研究团队介绍，此前这类技术展示出的功率能力比这低两个数量级以上。
需要说明的是，1MW说的是该模块在脉冲开关实验里跑出的峰值功率，不代表它已经能持续输出兆瓦级功率。不过在高压大电流下实现重复开关，已经给氧化镓功率模块的后续推进提供了重要验证。
从实验室走向高功率应用
这项研究重点押注的方向之一，是脉冲功率电子系统。
脉冲功率指的是在极短时间里把大量电能释放或传输出去。此类系统往往要求功率器件在微秒级时间尺度内顶住极高电场和瞬态热负荷，半导体材料、器件结构、封装技术哪一环都松不得。香港大学团队认为，氧化镓在这方面有一定优势，尤其在高电场和高瞬态温度条件下，其材料特性有希望派上用场。
团队列出的潜在用途涵盖未来电网的高压保护系统、先进医疗设备、粒子加速器以及核聚变能源设施。模块开关速度较快，还有望让功率转换系统的体积做小、效率提高。
这并非一项孤立的技术突破。团队此前就围绕半导体器件与封装协同设计做过研究，相关成果曾入选2025年IEEE国际电子器件会议（IEDM）的Technical Highlight。
兆瓦级模块这次做成，其实进一步说明了一件事：对氧化镓这类新型功率半导体材料来说，光把芯片本身的性能提上去还不够，封装、散热和系统集成同样决定了材料最终能释放多少潜力。
从SiC、GaN到Ga₂O₃，功率半导体材料正朝着更宽的禁带方向走。不过氧化镓要走到大规模商业化，还有不少活要干，器件可靠性、长期运行稳定性以及制造成本等方面都还需进一步验证。
香港大学团队这次把氧化镓多芯片模块的功率能力推到兆瓦级，为超宽禁带半导体打开了一个新的技术窗口。
对功率半导体产业而言，下一代材料的竞争恐怕不再只是SiC与GaN两家的事情，氧化镓等超宽禁带材料也正一步步走向更大的舞台。
