香港大學工程學院電機電子工程系與先進半導體及集成電路中心（CASIC）研究團隊近日宣布，成功研發全球首個可處理兆瓦級電功率的氧化鎵（Ga2O3）功率模組。該模組在實驗中以 1 kHz 頻率重複實現 1,000 伏特、1,000 安培的高速開關操作，峰值功率達到一兆瓦，較過往超寬禁帶半導體技術所展示的功率水平提升超過兩個數量級。這一突破為電網、醫療設備及聚變能源等領域發展更緊湊、高效的高功率電子系統帶來新機遇。
兆瓦級功率模組如何實現？
研究由張宇昊教授、鞏賀賀博士及博士生楊鑫共同領導，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。團隊開發了一種全新的「結側散熱」（junction-side cooling）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，團隊引入高介電常數絕緣層，以重新調控器件周圍的電場分佈。兩種設計相互配合，不僅能更有效地將熱量導出，亦可提升模組的高電壓承受能力。實驗顯示，單個封裝後的氧化鎵器件在脈衝操作下可於1,000伏特電壓下傳導234安培電流，即使結溫超過250°C，器件仍能正常運作。
與傳統矽基器件有何分別？
功率半導體器件可視為現代能源系統中控制及轉換電能的「電子開關」，廣泛應用於數據中心、電動車、可再生能源系統及電網。傳統矽功率器件正逐步接近其材料物理極限，而碳化矽和氮化鎵等寬禁帶半導體近年已顯著提升功率轉換效率及功率密度。氧化鎵則屬於新興的超寬禁帶半導體材料，由於其能承受極高電場，因此在未來高電壓電子技術中極具潛力。然而，儘管氧化鎵具有優異的理論性能，其實際器件長期受到功率能力限制，主要原因包括材料本身導熱能力較低，以及在高電壓、大電流條件下，多個器件整合封裝所面對的散熱、絕緣及可靠性挑戰。張宇昊教授指出，傳統方法往往分開設計半導體器件和封裝，而團隊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佈、熱流傳導及機械應力。
對香港科技產業有何影響？
這項技術尤其適合脈衝功率應用，即在微秒級時間內釋放或控制極大的電能。與需要長時間連續運作的傳統功率轉換系統不同，脈衝功率系統可充分發揮氧化鎵承受高電場及瞬態高溫的優勢。潛在應用包括未來電網的高壓浪湧保護、先進醫療系統、粒子加速器及聚變能源設施。模組的高速開關能力亦有望推動功率轉換系統進一步小型化，並提升整體能源效率。鞏賀賀博士表示，這是全球首次有超寬禁帶半導體多晶片功率模組達到兆瓦級功率，更重要的是，這項成果提供了一套可擴展的技術路徑，讓氧化鎵優異的材料特性能真正轉化為實際高功率電子系統。新聞稿指出，模組由六個氧化鎵器件整合而成，峰值功率達一兆瓦；現階段屬實驗室示範成果，新聞稿並未提及商業出貨時間表或電網實際部署。
研究背景與學術認可
是次研究建基於團隊多年來在半導體器件與封裝協同設計方面的研究成果。團隊此前在這一方向的研究曾獲選為2025年IEEE國際電子器件會（IEDM）Technical Highlight，IEDM是全球半導體器件領域最具影響力的國際會議。這一研究方向的重要性亦獲《Nature Electronics》關注，該期刊曾刊登題為「Powering the ultrawide-bandgap era」的News & Views評論文章，探討透過器件與封裝的多物理場協同設計，突破新興超寬禁帶半導體材料固有限制的潛力。相關研究成果已於《Nature Communications》發表，論文題為「A megawatt ultra-wide bandgap semiconductor module for pulsed power electronics」。