港大工程團隊以新興半導體材料研發全球首個兆瓦級功率模塊

每次為手機充電、駕駛電動車或開燈，背後都有一層隱藏的技術在運作：功率半導體器件，即控制和轉換電能的電子開關，支撐着現代生活的方方面面。數十年來，矽一直是首選材料。然而，隨着電力需求增長、系統日趨複雜，我們正逐步逼近矽半導體所能達到的物理極限。

香港大學（港大）研究團隊現已證明，一類更新的材料能夠走得更遠。在《自然·通訊》（Nature Communications）發表的研究中，團隊成功研發一款氧化鎵功率模塊，可在1 kHz頻率下重複實現1,000伏特、1,000安培的高速開關操作，峰值功率達到一兆瓦。這是全球首次有超寬禁帶半導體模塊達到此功率水平，相較過往同類材料所展示的功率能力提升超過一百倍。

研究由港大電機電子工程系及先進半導體及集成電路中心（CASIC）的張宇昊教授領導，聯同鞏賀賀博士及博士生楊鑫，並與美國弗吉尼亞理工大學陸國權教授及南京大學葉建東教授合作完成。

氧化鎵屬於新興的超寬禁帶半導體材料，能承受極高電場，在未來高電壓應用中極具潛力。然而，氧化鎵的導熱能力較低，加上在高電壓、大電流條件下將多個器件整合封裝面臨重大挑戰。港大團隊的突破之處，在於將半導體器件與其封裝視為一個完整系統進行協同設計，而非分開處理。

張宇昊教授表示：「傳統方法往往分開設計半導體器件和封裝，而我們則將兩者視為一個完整系統進行協同設計，從而能同時控制電場分布、熱流傳導及機械應力。」

團隊開發了全新的「結側散熱」架構，使半導體中主要產生熱量的區域更接近散熱路徑，同時引入高介電常數絕緣層，重新調控器件周圍的電場分布。兩種設計相互配合，使模塊不僅能處理極高功率，即使在結溫超過250°C的條件下仍能正常運作。

這項技術尤其適合脈衝功率應用，即需要在微秒級時間內釋放或控制極大電能的場景。潛在應用包括未來電網的高壓保護、粒子加速器、先進醫療系統及聚變能源設施。

鞏賀賀博士表示：「這是全球首次有超寬禁帶半導體多芯片功率模塊達到兆瓦級功率。更重要的是，這項成果提供了一套可擴展的技術路徑，讓超寬禁帶半導體優異的材料特性能真正轉化為實際高功率電子系統。」

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