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（Ga₂O₃）正逐渐受到关注。
11月9日，Tech Xplore报道，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，成功开发出全球首个兆瓦级超宽禁带半导体功率模块。该模块采用氧化镓材料，能够实现1000V、1000A的重复开关，峰值功率达到1MW。
这项研究的意义，不仅在于将氧化镓功率模块的功率能力提升到了兆瓦级，更重要的是，研究团队通过器件与封装协同设计，解决了氧化镓长期以来面临的散热和高功率封装难题，为这种新材料走向实际功率电子系统提供了新的技术路径。
研究成果已经发表于《Nature Communications》，论文题为《A megawatt ultra-wide bandgap semiconductor module for pulsed power electronics》。
氧化镓，为什么值得关注？
功率半导体的核心作用，是控制电能的转换和传输。从新能源汽车、AI数据中心，到新能源发电和电网系统，都离不开功率器件。
目前，硅基功率器件在部分高电压、高效率应用中已经逐渐接近材料本身的性能极限。以碳化硅和氮化镓为代表的宽禁带半导体，凭借更高的击穿电场和更好的高频工作能力，正在推动功率电子技术升级。
而氧化镓属于比SiC和GaN禁带宽度更大的超宽禁带（UWBG）半导体材料，其禁带宽度约为4.8eV，具有承受更高电场的潜力，因此在高压功率器件领域具有相当大的研究价值。
不过，氧化镓有一个比较明显的短板：导热性能较差。
这也是它此前难以实现高功率应用的重要原因。功率器件在高电压、大电流条件下工作，会产生大量热量，如果热量不能及时从器件内部传导出去，就容易造成温度过高，影响器件的性能和可靠性。与此同时，当多个氧化镓器件集成到同一个功率模块中，高电压、大电流带来的封装和散热问题还会进一步复杂化。
换句话说，氧化镓虽然拥有优异的耐高电场能力，但如何把这种材料优势真正转化为可用的功率模块，一直是产业化过程中需要解决的问题。
器件与封装协同设计，突破散热瓶颈
此次香港大学团队的突破，关键并不只是氧化镓芯片本身，而是围绕器件结构和封装方式进行了一系列创新。
研究团队没有将半导体器件与封装分别设计，而是把两者作为一个整体，从电场分布、热量传导以及机械应力三个方面进行协同优化。
其中，一个重要创新是采用了新的「结区侧冷却」（Junction-side cooling）架构。
传统功率器件的散热设计，需要考虑热量从芯片发热区域传导至外部冷却结构的路径。而此次研究团队将冷却路径布置得更加靠近半导体器件的发热结区，缩短热量传导距离，从而提高散热效率。
与此同时，团队还引入了一种高介电常数绝缘层，用于重新分配器件周围的电场，改善高电压工作条件下的电场分布。
这两项技术结合起来，既改善了氧化镓器件的散热能力，也提高了模块承受高电压的能力。
从实验结果来看，单个封装后的氧化镓器件，在脉冲工作状态下能够实现1000V电压、234A电流的导通，即使结温超过250℃，器件仍然能够正常工作。
在此基础上，研究团队进一步将6个氧化镓器件集成到一个功率模块中，实现了1000V、1000A条件下的重复开关，工作频率达到1kHz，对应的峰值功率达到1MW。
这也是超宽禁带半导体多芯片模块首次实现兆瓦级功率水平。根据研究团队的介绍，此前超宽禁带半导体技术所展示的功率能力还要低两个数量级以上。
这里需要特别说明，1MW指的是该模块在脉冲开关实验中达到的峰值功率，并不意味着它已经实现了兆瓦级连续功率输出。但能够在高电压、大电流条件下实现重复开关，已经为氧化镓功率模块的进一步发展提供了重要验证。
从实验室走向高功率应用
此次研究瞄准的一个重要方向，是脉冲功率电子系统。
所谓脉冲功率，就是在极短时间内释放或传输大量电能。这类系统通常需要功率器件在微秒级时间尺度内承受极高的电场和瞬态热负荷，因此对半导体材料、器件结构以及封装技术都有很高要求。
香港大学团队认为，氧化镓在这类应用中具有一定优势。尤其是在高电场和高瞬态温度条件下，其材料特性有望发挥作用。
研究团队列举的潜在应用包括未来电网的高压保护系统、先进医疗设备、粒子加速器以及核聚变能源设施。此外，模块较快的开关能力，也有望帮助缩小功率转换系统的体积，提高系统效率。
值得关注的是，这项研究并不是孤立的技术突破。团队此前已经围绕半导体器件与封装协同设计开展研究，相关成果还曾入选2025年IEEE国际电子器件会议（IEDM）的Technical Highlight。
此次兆瓦级模块的成功，实际上进一步证明了一个方向：对于氧化镓这样的新型功率半导体材料而言，单纯提高芯片本身的性能还不够，封装、散热和系统集成同样决定着材料最终能够发挥多大的潜力。
从SiC、GaN到Ga₂O₃，功率半导体材料正在向更宽的禁带发展。不过，氧化镓距离大规模商业化仍然有不少工作要做，特别是器件可靠性、长期运行稳定性以及制造成本等方面，仍需要进一步验证。
但此次香港大学团队将氧化镓多芯片模块的功率能力推进至兆瓦级，无疑为超宽禁带半导体打开了一个新的技术窗口。
对于功率半导体产业来说，下一代材料的竞争，可能不再只是SiC与GaN之间的较量，氧化镓等超宽禁带材料，也正在逐渐走向更大的舞台。
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