港大工程团队以新兴半导体材料研发全球首个兆瓦级功率模块

每次为手机充电、驾驶电动车或开灯，背后都有一层隐藏的技术在运作：功率半导体器件，即控制和转换电能的电子开关，支撑着现代生活的方方面面。数十年来，硅一直是首选材料。然而，随着电力需求增长、系统日趋复杂，我们正逐步逼近硅半导体所能达到的物理极限。

香港大学（港大）研究团队现已证明，一类更新的材料能够走得更远。在《自然·通讯》（Nature Communications）发表的研究中，团队成功研发一款氧化镓功率模块，可在1 kHz频率下重复实现1,000伏特、1,000安培的高速开关操作，峰值功率达到一兆瓦。这是全球首次有超宽禁带半导体模块达到此功率水平，相较过往同类材料所展示的功率能力提升超过一百倍。

研究由港大电机电子工程系及先进半导体及集成电路中心（CASIC）的张宇昊教授领导，联同巩贺贺博士及博士生杨鑫，并与美国弗吉尼亚理工大学陆国权教授及南京大学叶建东教授合作完成。

氧化镓属于新兴的超宽禁带半导体材料，能承受极高电场，在未来高电压应用中极具潜力。然而，氧化镓的导热能力较低，加上在高电压、大电流条件下将多个器件整合封装面临重大挑战。港大团队的突破之处，在于将半导体器件与其封装视为一个完整系统进行协同设计，而非分开处理。

张宇昊教授表示："传统方法往往分开设计半导体器件和封装，而我们则将两者视为一个完整系统进行协同设计，从而能同时控制电场分布、热流传导及机械应力。"

团队开发了全新的"结侧散热"架构，使半导体中主要产生热量的区域更接近散热路径，同时引入高介电常数绝缘层，重新调控器件周围的电场分布。两种设计相互配合，使模块不仅能处理极高功率，即使在结温超过250°C的条件下仍能正常运作。

这项技术尤其适合脉冲功率应用，即需要在微秒级时间内释放或控制极大电能的场景。潜在应用包括未来电网的高压保护、粒子加速器、先进医疗系统及聚变能源设施。

巩贺贺博士表示："这是全球首次有超宽禁带半导体多芯片功率模块达到兆瓦级功率。更重要的是，这项成果提供了一套可扩展的技术路径，让超宽禁带半导体优异的材料特性能真正转化为实际高功率电子系统。"

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