兆瓦级突破！氧化镓实现重大进展

香港大学工程学院电机电子工程系与先进半导体与集成电路研究中心（CASIC）的研究人员，开发出一种基于超宽禁带半导体材料氧化镓（Ga₂O₃）的功率模块，能够处理兆瓦级功率转换，为电网、医疗设备和聚变能源等领域开发紧凑、高效的电力系统提供了新的可能。

该研究团队由香港大学教授张宇昊、博士后研究员巩贺贺和博士生杨鑫牵头，并与弗吉尼亚理工大学教授Guo-Quan Lu、南京大学教授叶建东合作开展。团队展示了一款多芯片氧化镓功率模块，能够在1000V、1000A的条件下实现重复开关。

这项技术目前已发表于《Nature Communications》，其实现的功率能力比此前超宽禁带半导体技术所展示的水平提高了两个数量级以上。

功率半导体器件相当于现代电力系统中的“开关”，负责控制和转换电能，应用范围涵盖AI数据中心、电动汽车、可再生能源系统和电网。传统硅基器件正逐渐接近其物理性能极限，而碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）等新型宽禁带半导体，则推动了器件效率和功率密度的显著提升。

氧化镓属于一种新兴的超宽禁带（UWBG）半导体材料。它能够承受极高的电场，因此在未来高压电子器件领域具有很大吸引力。从材料性能来看，氧化镓的Baliga优值至少是碳化硅和氮化镓的3.8倍、硅的3000倍，具有较大的高压功率器件应用潜力。

然而，氧化镓器件在实际应用中长期受到功率水平的限制，主要原因在于这种材料的导热能力较差，而且当多个器件在高电压、大电流条件下集成到一起时，封装难度也会随之增加。

研究团队负责人张宇豪教授表示：“我们的研究表明，氧化镓的热管理限制并不意味着它无法达到非常高的功率水平。我们没有将半导体器件和封装结构分开处理，而是将二者作为一个完整系统进行协同设计。这种器件与封装协同设计的方法，使我们能够同时管理电场分布、热量传导和机械应力。”

研究人员开发了一种新的“结侧冷却”（Junction-Side Cooling）架构，将半导体器件中产生热量的区域布置在靠近冷却路径的位置。此外，团队还引入了一层高介电常数绝缘层，用于重新分布器件周围的电场。两种设计结合，使热量能够更高效地传导出去，同时提高了模块承受电压的能力。

具体来看，团队采用厚度300纳米、介电常数超过155的钛酸钡（BaTiO₃）作为绝缘界面层，通过极化效应改善器件边缘的电场分布，同时省去传统封装中的金属支柱。测试显示，器件结到壳热阻从1.05 K/W降至0.47 K/W，降幅超过50%。

在脉冲工作条件下，一颗经过封装的氧化镓器件能够在1000V电压下通过234安培电流，并且在结温超过250℃时仍能正常工作。随后，研究团队将六颗器件集成到一个更大的模块中，并在1 kHz频率下实现了1000V、1000A的重复开关，对应的峰值功率达到1兆瓦。

该模块的关断时间约为23纳秒，脉冲功率容量密度超过1.8 MW/cm²，六个子模块之间也实现了较为均匀的电流分配。

研究团队成员巩贺贺表示：“这是超宽禁带半导体多芯片模块首次达到兆瓦级功率。更重要的是，这项成果提供了一种可扩展的技术路线，能够将超宽禁带半导体优异的材料特性转化为实际的高功率系统。”

这项技术在脉冲功率应用领域尤其具有潜力。在这类应用中，系统需要在微秒级时间内释放极大量的电能。脉冲功率系统能够利用氧化镓较高的体积热容，使器件在承受高电场和瞬态高温时保持稳定工作。

潜在应用包括未来电网的高压保护系统、先进医疗设备、粒子加速器以及聚变能源设施等。此外，该模块的快速开关能力，也有望帮助开发体积更小、效率更高的功率转换系统。

这项研究建立在团队此前开展的半导体器件与封装协同设计研究基础之上。团队此前在这一领域的研究成果入选了2025年IEEE国际电子器件会议（IEDM）技术亮点。

2025年，《Nature Electronics》还发表了一篇题为《Powering the ultrawide-bandgap era》的新闻与观点文章，专门讨论了多物理场器件与封装设计在突破新兴半导体材料固有性能限制方面的潜力，进一步凸显了这一研究方向的重要性。