01 前言

近日，一项来自香港大学、南京大学与弗吉尼亚理工等机构的国际合作研究成果在《Nature Communications》上发表(
https://doi.org/10.1038/s41467-026-71274-6)。研究团队成功研制出全球首款兆瓦级超宽禁带半导体功率模块，基于氧化镓材料，实现了1000A/1000V的脉冲功率开关能力，刷新了超宽禁带半导体器件的功率密度纪录，超越现有最佳报道两个数量级以上。

02 核心创新

研究团队提出了三大核心创新：

1.高介电常数（BaTiO₃）界面层

替代传统封装中的SiO₂，利用极化诱导效应屏蔽电场集中，避免封装材料溢出导致的击穿问题，同时消除热阻极高的金属支撑柱。

2.结侧冷却（Junction-Side Cooling）封装结构

将器件翻转贴装，直接通过DBC基板散热，热阻降低超过50%，稳态热阻仅为0.47K/W。

3.六芯片并联全模块

基于对称布局集成六个子模块，成功实现1000V/1000A的兆瓦级脉冲开关，开关速度达23ns，反向恢复极小，具备高频、高可靠性的工程实用性。

性能突破：电热协同下的“脉冲王者”

1.静态性能

击穿电压：从传统封装的930V提升至2010V，高温（250°C）下仍可维持正向温度系数的雪崩能力。

导通能力：室温至200°C电流增强，300°C仍可工作，远优于SiC（150°C以上性能急剧下降）。

2.动态性能

单子模块：5μs脉冲下实现234A/1000V开关。

六芯模块：实现1000A/1000V兆瓦级连续脉冲开关，功率密度超过1.8MW/cm2。

3.浪涌电流能力

3.6μs短脉冲下，峰值浪涌电流高达856A，远优于同类SiC器件。

短脉冲下，氧化镓的高体积热容主导热缓冲效应，即使热导率低，仍能实现更低结温升。

03 研究意义

对学术界的意义

1.首次实现了UWBG材料的模块级功率演示，打破了“UWBG只能做单管、无法封装成模块”的固有印象。

2.提出了脉冲功率场景下的材料选型新标准：除了Baliga优值，应更重视体积热容和高温阻断能力。

3.建立了器件‑封装电热协同优化的完整方法论，可推广至AlN、金刚石等其他UWBG材料。

对产业界的意义

1.兆瓦级能力使氧化镓模块进入真实工业应用视野：

电动汽车1000V/1000A兆瓦闪充

电磁脉冲成形、脉冲激光、固态断路器

核聚变脉冲电源、舰载电磁弹射

2.高κ界面+结侧冷却方案可直接用于现有功率模块生产线，无需大幅改造工艺。

3.可靠性验证：通过10,000次功率循环测试，参数漂移极小，初步证明其工程可行性。

对中国科研与产业的战略意义

该研究由香港大学、南京大学领衔，联合美国弗吉尼亚理工，体现了高水平国际合作与中国在UWBG领域的引领地位。

中国在氧化镓衬底、外延、器件方面已有深厚积累，此次模块突破将加速国产UWBG功率芯片的产业化进程。

04 结语

这项发表在《Nature Communications》上的工作，不仅刷新了超宽禁带半导体功率模块的性能纪录，更重要的是打通了从材料、器件到封装、系统的全链条。它告诉我们：氧化镓不是“实验室玩具”，而是可以承载兆瓦级脉冲功率的实用半导体。

正如通讯作者之一所说：“这不仅是氧化镓的胜利，更是UWBG电子学从‘能做’走向‘好用’的关键一步。”

未来，随着更大尺寸衬底、更低缺陷密度外延以及全Ga₂O₃晶体管的集成，我们有理由相信：氧化镓，将重新定义功率电子的天花板。

图1：脉冲功率应用、材料选择以及器件与封装设计

图2：击穿电压提升及子模块的电气特性

图3：热阻抗表征及时间分辨的最大功率容量密度推导

图4：兆瓦级脉冲功率开关在实际功率变换器中的演示

图5：氧化镓（Ga₂O₃）子模块在导通主导型脉冲功率应用中的浪涌电流能力

【注】小编水平有限，若有误，请联系修改；若侵权，请联系删除！

来源： 科研进阶社

*声明：本文由作者原创。文章内容系作者个人观点，宽禁带半导体技术创新联盟转载仅为了传达一种不同的观点，不代表本联盟对该观点赞同或支持，如果有任何异议，欢迎联系我们。