港大研发兆瓦级氧化镓功率模组 功率处理能力提升逾百倍

功率半导体器件可视为现代能源系统中控制及转换电能的“电子开关”，广泛应用于数据中心、电动车、可再生能源系统及电网。传统硅功率器件正逐步接近其材料物理极限。香港大学工程学院电机电子工程系与先进半导体及集成电路中心研究团队，研发出可处理兆瓦级电功率的氧化镓（Ga2O3）功率模组，可重复实现1,000伏特、1,000安培的高速开关操作，其功率处理能力提升超过百倍，为电网、医疗设备及聚变能源等领域发展更紧凑、高效的高功率电子系统带来新机遇。

氧化镓属新兴超宽禁带半导体材料，能承受极高电场，在高压电子技术中极具潜力；惟实际器件长期受导热能力较低，以及在高电压、大电流条件下多个器件整合封装所面对的散热、绝缘及可靠性等挑战，令功率能力受限。

由港大电机电子工程系教授张宇昊、博士后研究员巩贺贺及博士生杨鑫共同领导的国际研究团队，开发全新“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，重新调控器件周围电场分布。张宇昊表示，研究显示氧化镓的散热限制并不意味无法实现极高功率。传统方法往往分开设计半导体器件和封装，团队则将两者视为完整系统协同设计，从而同时控制电场分布、热流传导及机械应力。

两种设计相互配合，不仅更有效将热量导出，亦提升模组高电压承受能力。实验显示，单个封装后的氧化镓器件在脉冲操作下可于1,000伏特电压下传导234安培电流，即使结温超过250°C仍能正常运作。其后，团队将六个器件整合成更大型功率模组，成功以1kHz频率重复实现1,000伏特、1,000安培开关操作，峰值功率达一兆瓦。

巩贺贺表示，这是全球首次有超宽禁带半导体多晶片功率模组达到兆瓦级功率，更重要的是提供一套可扩展技术路径，让氧化镓优异材料特性真正转化为实际高功率电子系统。

技术尤其适合脉冲功率应用，即在微秒级时间内释放或控制极大电能。与需长时间连续运作的传统功率转换系统不同，脉冲功率系统可充分发挥氧化镓承受高电场及瞬态高温的优势，潜在应用包括未来电网的高压浪涌保护、先进医疗系统、粒子加速器及聚变能源设施。模组的高速开关能力亦有望推动功率转换系统进一步小型化，提升整体能源效率。