重要成果 | 香港大学NC + IEDM: 首个兆瓦级第四代半导体功率模块

发布时间：2026-04-02来源：第三代半导体产业

近日，香港大学先进半导体与集成电路中心张宇昊教授团队联合弗吉尼亚理工大学材料科学与工程系Guo-Quan Lu教授团队，以及南京大学电子科学与工程学院叶建东教授团队，在《Nature Communications》上发表题为“A megawatt ultra-wide bandgap semiconductor module for pulsed power electronics”的研究论文。文章第一作者为香港大学博士后巩贺贺，博士生杨鑫为共同第一作者。该研究充分挖掘氧化镓（Ga₂O₃）材料在高体积比热容与高温稳定性方面的独特优势，创新性提出其适用于高功率脉冲电子应用。与此同时，通过引入高介电常数封装界面和结侧散热结构，实现器件-封装协同设计，成功实现了超宽禁带半导体器件在1000 V / 1000 A条件下的稳定连续脉冲开关。这一成果将超宽禁带功率器件的功率容量提升超过两个数量级，展现了其在下一代大功率系统，尤其是脉冲功率系统中的重要应用潜力。

1. 超宽禁带器件迈向兆瓦级的关键挑战

功率半导体器件是电力电子系统的核心基础，广泛应用于数据中心、电动汽车与能源系统等关键领域。近年来，以氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）为代表的宽禁带半导体显著提升了器件性能，而新一代超宽禁带材料（如Ga₂O₃）则展现出更高的理论性能极限。然而，当前超宽禁带器件的功率能力仍主要停留在千瓦级，难以满足工业应用需求。传统依赖扩大单芯片面积来提升功率的路径，受限于材料缺陷与工艺非均匀性。相比之下，多芯片集成的功率模块为实现功率提升提供了新方向，但其同时面临高电场与高热场耦合带来的封装与可靠性挑战。

2. 面向脉冲功率的材料选择与结构创新

本研究聚焦于脉冲功率电子这一典型高功率场景。如图1(a-b)所示，在微秒尺度的脉冲条件下，器件需同时承受高电压、大电流及快速开关，对材料与结构提出极端要求。值得注意的是，在短脉冲过程中，热量尚未来得及扩散，器件温升主要由材料的体积比热容决定。Ga₂O₃材料不仅具备较高体积比热容（图1c），同时具有优异的高温稳定性（图1d），使其在瞬态高功率条件下具备天然优势。

在模块实现层面，研究团队提出了器件-封装协同设计策略。如图1(e)所示，通过结侧散热结构，将器件直接连接至高导热基板，实现从结区高效导热。然而，该结构会引入封装金属溢出，导致器件边缘电场集中并降低击穿电压。为解决这一问题，本工作在器件边缘与封装界面之间引入高介电常数（图1f-h)材料在电场作用下产生极化电荷，可有效平滑电场分布，抑制界面电场集中。该设计与封装材料共同构建多层协同结构，实现电学性能与散热能力的协同优化，有效突破了传统封装在电-热耦合条件下的性能限制。

图1：脉冲功率应用、材料选择与器件-封装设计。(a) 脉冲功率系统示意图及开关电压电流特性；(b) 现有脉冲器件功率与频率范围及下一代需求；(c) 主流功率半导体体积比热容与性能指标对比；(d) 宽禁带与超宽禁带器件最高工作温度与阻断电压对比；(e) Ga₂O₃子模块封装结构示意图与实物图；(f) 高κ介质引入极化电荷调控电场示意图；(g-h) 高κ界面器件三维结构及截面SEM图。

3. 兆瓦级脉冲功率开关实验验证

为验证所提出模块设计在实际应用中的性能，研究团队构建了脉冲功率开关测试电路，如图2(a-b)所示。在单芯片模块层面，器件在1kV母线电压下可实现234 A脉冲开关，并在脉冲过程中承受超过250 °C的瞬态结温（Fig.2c-d）。在此基础上，团队进一步构建了由6个子模块组成的多芯片功率模块（Fig.2e）。该模块在1 kHz开关频率下，实现了1000 V / 1000 A的稳定脉冲开关（Fig.2f-g），对应兆瓦级功率容量能力。同时，器件表现出快速开关（关断时间约23 ns）和极低反向恢复，体现出优异的动态性能。热成像结果显示，在连续脉冲工作条件下，各子模块电流分布均匀，封装温度控制在约80-90 °C范围，验证了所提出封装结构的高效散热能力。性能对比（Fig.2h）表明，该工作实现的功率容量能力相比已有超宽禁带器件提升超过两个数量级，充分证明了器件-封装协同优化策略在高功率应用中的有效性。

图2：兆瓦级脉冲功率开关实验验证。(a-b) 脉冲功率开关测试电路示意图与实物图；(c-d) Ga₂O₃子模块的开关电流波形及结温演化；(e) 集成6个子模块的Ga₂O₃功率模块结构实物图及三维结构图；(f-g) 模块在兆瓦级脉冲条件下的电压、电流开关波形；(h) 本工作与已报道超宽禁带器件的功率容量与开关电压对比。

4. 总结与意义

本工作首次实现了基于氧化镓的多芯片功率模块，在实际电路中实现兆瓦级（1000 V / 1000 A）连续脉冲开关，并具备快速开关和极低反向恢复性能，将超宽禁带器件的功率能力提升至新的水平。通过引入高κ界面设计并替代传统封装结构，在显著降低热阻（>50%）的同时，实现了高温（250 °C）和高击穿电压（>2 kV）的稳定工作。结合氧化镓材料本征的高体积比热容与高温稳定性，以及器件-封装协同优化策略，该模块在脉冲功率应用中的性能已超越传统Si及宽禁带器件。该研究为高功率脉冲电子系统中的材料选择与封装设计提供了新思路，并为下一代宽禁带与超宽禁带功率模块的进一步功率扩展奠定了重要基础。

Nature Communications论文链接：

Gong, H., Yang, X., Wang, B. et al. A megawatt ultra-wide bandgap semiconductor module for pulsed power electronics. Nat Commun (2026).

https://www.nature.com/articles/s41467-026-71274-6

A megawatt ultra-wide bandgap semiconductor module for pulsed power electronics.pdf

5.系列工作

此外，团队早期关于第四代半导体器件封装的电-热-应力协同优化的研究成果以题目“First Demonstration of an Ultra-Wide Bandgap Power Module through Device-Package, Electro-Thermo-Mechanical Co-Optimization”发表在IEDM 2025会议上，并入选“IEDM 2025技术亮点”（全部投稿前1.5%，中国仅三篇，第三、四代半导体领域唯一一篇)。该工作被Nature Electronics评选为IEDM 25会议十一项研究亮点之一进行专题报道，展现了团队系列工作的重要学术影响力和技术引领价值。

Nature Electronics报道链接：

Eisner, S. Powering the ultrawide-bandgap era. Nat Electron 8, 1128–1129 (2025).

https://www.nature.com/articles/s41928-025-01520-0

—— 完 ——