【国内论文】Nat.Commun.丨香港大学、弗吉尼亚理工大学、南京大学叶建东教授团队： 面向脉冲功率电子的兆瓦级超宽禁带半导体模块

      由香港大学、弗吉尼亚理工大学、南京大学叶建东教授的研究团队在学术期刊Nature Communications发布了一篇名为 A megawatt ultra-wide bandgap semiconductor module for pulsed power electronics（面向脉冲功率电子的兆瓦级超宽禁带半导体模块）的文章。

      《Nature Communications》是自然出版集团旗下的顶级开放获取期刊，自2010年创刊，属于国际顶尖科研期刊。覆盖物理、化学、材料科学及生命科学等前沿领域，以严格同行评审、原创性和高学术影响力著称。期刊致力于发表具有重要科学价值和广泛影响力的研究成果，尤其在材料科学、半导体及能源领域享有显著声誉。作为顶尖科研成果展示平台，它为研究者提供快速传播前沿发现、提升学术影响力和拓展国际合作的机会。

      功率半导体器件是消费电子、数据中心、电动汽车、可再生能源与电网等电力电子系统的核心，全球市场规模已超 500 亿美元。近 20 年，氮化镓（ GaN ）、碳化硅（ SiC ）等宽禁带（ WBG ）半导体突破传统硅（ Si ）器件极限；近年来，氧化镓（ Ga₂O₃ ）、氮化铝（ AlN ）、金刚石等超宽禁带（ UWBG ）材料凭借更高临界电场与热稳定性，成为下一代功率器件优选，其 Baliga 优值至少为 GaN/SiC 的 3.8 倍、硅的 3000 倍。

      过去十年， UWBG 器件功率提升至千瓦级，但仍无法满足工业、生物医学、电网、航空航天等兆瓦（ MW ）级脉冲功率需求。传统大尺寸器件受材料均匀性、缺陷与工艺离散性限制，耐压与通流难以兼顾；而 UWBG 器件封装面临强电场、高热流密度与低热导率挑战，此前尚无实用化多芯片功率模块，功率水平长期停滞。

      该团队通过器件–封装电热协同设计，攻克 UWBG 功率规模化瓶颈，开拓其在脉冲功率电子的应用场景。

      超宽禁带半导体具备优异电学特性，在高压、大功率电子应用中潜力突出。历经十余年材料生长与器件工艺进步，分立型超宽禁带器件开关功率已达千瓦级，但面向工业、生物医学、电网、航空航天等应用的封装式多芯片超宽禁带功率模块仍未实现。该团队提出一种倒装芯片封装的氧化镓功率模块，可实现 1000 A、1000 V 脉冲功率开关，速度快、反向恢复极小，将超宽禁带电子功率容量提升两个数量级以上。为应对强电场与瞬态功率冲击，该团队采用高介电常数界面设计，实现器件–封装电热协同优化，最大化模块瞬态热性能，充分挖掘氧化镓高体积热容与高温稳定性优势。该优化超宽禁带模块脉冲功率容量密度超 1.8 MW/cm²，优于硅与宽禁带半导体器件，印证超宽禁带电子在下一代大功率系统的应用前景。

      1.模块性能突破：首次实现 UWBG 多芯片功率模块，完成 1000 V/1000 A 兆瓦级脉冲开关，功率容量提升超两个数量级。

      2.界面创新设计：采用高介电常数 BaTiO₃ 界面替代传统凸台，电场集中得到抑制，热阻降低 50% 以上。

      3.材料优势挖掘：充分利用 Ga₂O₃ 高体积热容与高温稳定性，短脉冲工况下温升更低、耐流更强。

      4.电热协同优化：器件–封装协同设计兼顾高压阻断、大电流导通与高效散热，适配脉冲功率瞬态工况。

      5.可靠性提升：界面优化改善热机械匹配，功率循环 10000 次参数无明显退化，稳定性显著提升。

      该团队通过器件–封装电热协同优化，研制出多芯片氧化镓模块，可稳定实现 1000 A、1000 V 连续脉冲功率开关，开关速度快、反向恢复小，创下 UWBG 功率器件功率容量纪录。高介电常数界面设计替代传统凸台，热阻降低 50% 以上，同时实现最高250 ℃ 环境下超过 2 kV 的雪崩击穿工作。依托氧化镓高体积热容、本征热稳定性与协同封装设计，该模块功率容量密度超越硅与宽禁带器件，为大功率脉冲应用的材料选型与封装策略提供指导，为宽禁带与超宽禁带器件模块开发与功率扩容提供了宝贵参考。

      展望未来，要进一步提升氧化镓（Ga₂O₃）器件和模块的功率容量，需同步提高电流、电压等级，以及在超过本文所展示的 250 ℃温度下的高压可靠性。从材料层面来看，这需要开发更大直径、均匀性更好、缺陷密度更低的氧化镓（Ga₂O₃）晶圆，同时需制备更厚的低掺杂外延层以支撑更高电压。在器件和模块层面，需持续优化器件与封装中的终端结构和异质界面，以缓解高电场和高温协同作用下加速的退化机制。除二极管验证外，基于本研究确定的器件 - 封装协同设计原则，实现氧化镓（Ga₂O₃）晶体管，对于开发全集成、全氧化镓脉冲功率系统至关重要。

      该研究得到国家自然科学基金、香港大学 HE 奖学金与先进半导体与集成电路中心产业联盟资助，并获 NBE Technologies、Rogers Corporation、Silvaco 与 Novel Crystal Technologies 技术与材料支持。

图 1 | 脉冲功率应用、材料选型以及器件与封装设计。a 适用于多种应用的典型脉冲功率系统示意图，以及开关的工作电压和电流说明。b 当前脉冲功率器件的功率水平和脉冲重复频率，以及下一代器件的期望特性。c 室温下主流功率半导体（包括硅（Si）、砷化镓（GaAs）、碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）、氧化镓（Ga₂O₃）、氮化铝（AlN）和金刚石）的体积热容与巴利加优值对比。典型功率半导体的体积热容数据来源于参考文献 34-41。d 最先进的宽禁带（WBG）和超宽禁带（UWBG）功率器件的最高工作温度与其对应温度下最高阻断电压的基准对比。e 所报道的氧化镓（Ga₂O₃）子模块封装结构的照片及三维示意图。f 金属 / 钛酸钡（BaTiO₃）/ 氧化镓（Ga₂O₃）结构中高介电常数电介质引入的极化偶极子示意图。g-h 高介电常数（high-κ）界面区域的三维示意图和横截面扫描电子显微镜（SEM）图像（伪彩色），该区域中钛酸钡（BaTiO₃）层夹在氧化镍结终端扩展区和溢流烧结银之间。

图 2 | 击穿电压提升与子模块的电学特性。a 反向偏压为 2000 V 条件下，JSC 封装的氧化镍 / 氧化镓（NiO/Ga₂O₃）异质结器件的二维电场分布模拟图：（i）采用二氧化硅（SiO₂）界面的器件（对照子模块 A）、（ii）采用凸台（post）界面的器件（对照子模块 B）、（iii）采用高介电常数（high-κ）界面的器件（所提出的设计方案，称为子模块 C）。每个子图的插图展示了终端区域附近封装结构的示意图。为清晰起见，倒装芯片封装的器件旋转了 180 度，以更清楚地显示边缘区域。b 三种不同封装结构的氧化镓（Ga₂O₃）子模块的反向电流 - 电压（I–V）特性。c–d 采用高介电常数（high-κ）界面的氧化镓（Ga₂O₃）子模块的温度依赖性正向及反向电流 - 电压（I–V）特性。

图 3 | 热阻表征与时间分辨最大脉冲功率容量密度推导。a 子模块 B 和子模块 C 的瞬态热阻曲线；插图展示了两个原型子模块的光学图像，其中省略了封装部分以清晰呈现封装结构。b 稳态功耗（P_dissipation）为 20 W 条件下的二维温度分布模拟图。c 相同能量耗散、三种不同脉冲宽度条件下，两个子模块的瞬态温度分布模拟图。d 基于实验测得的 Z~t 曲线、电流 - 电压 - 温度（I–V–T）特性以及由高偏压阻断能力确定的最高结温（Tⱼ），进行时间分辨最大功率容量分析的示意图。e 氧化镓（Ga₂O₃）子模块、封装碳化硅（SiC）二极管（型号 IDH02G120C5）和封装硅（Si）二极管（型号 RF305BM6S）在不同时间尺度下的推导瞬态热阻。f 三种封装功率二极管在 1 微秒（µs）至 100 秒（s）不同时间尺度下的提取最大瞬态功率容量密度。

图 4 | 实际功率变换器中兆瓦级脉冲功率开关的验证。a–b 车载脉冲功率开关测试电路的示意图及光学图像，该电路包括一个直流电源（V_DC）、直流电容（C_DC）、一个负载电感（L）、四个功率开关（S1–S4）以及待测试的氧化镓（Ga₂O₃）器件（DUT）。c–d 采用高介电常数（high-κ）界面的氧化镓（Ga₂O₃）子模块的实验开关电流波形及模拟的时间分辨结温（Tⱼ）演变曲线。e 由六个子模块组成的原型全氧化镓（Ga₂O₃）模块的光学图像及三维示意图。f–g 原型全氧化镓（Ga₂O₃）模块的开关电压和开关电流波形，展示了其重复兆瓦级脉冲功率开关性能。h 该团队的氧化镓（Ga₂O₃）模块与文献中报道的其他超宽禁带（UWBG）器件在最大开关功率容量和开关电压方面的对比。

图 5 | 导通主导型脉冲功率应用中氧化镓（Ga₂O₃）子模块的浪涌电流能力。a–b 专为脉冲功率工作定制的浪涌电流测试电路的示意图及光学图像，该电路包括一个直流电源（V_DC）、脉冲形成电感（L_surge）、脉冲形成电容（C_surge）、功率开关以及待测试器件（DUT）。c 固定脉冲宽度为 3.6 微秒（µs）、浪涌能量不断增加的条件下，氧化镓（Ga₂O₃）子模块的浪涌电流和浪涌电压波形。临界峰值浪涌电流超过 800 安培（A）。d 脉冲宽度在 3.6 微秒（µs）至 10 毫秒（ms）之间变化、浪涌能量不断增加的条件下，多组浪涌电流波形。同时标记了每种脉冲宽度下的临界峰值浪涌电流。e 氧化镓（Ga₂O₃）子模块与最先进的工业级碳化硅（SiC）二极管（型号 IDH02G120C5）的临界峰值浪涌电流随脉冲宽度变化的测试结果，所有测试均在室温与 150℃两种环境温度下进行。f 基于实验测得的电压和电流波形，提取的浪涌电流测试中的瞬态功率损耗。g 不同脉冲宽度下，氧化镓（Ga₂O₃）子模块与假设的碳化硅（SiC）子模块在临界浪涌电流测试过程中的模拟瞬态结温（Tⱼ）演变曲线。该假设的碳化硅（SiC）子模块与氧化镓（Ga₂O₃）子模块具有相同的器件和封装结构，但将氧化镓（Ga₂O₃）的材料特性替换为碳化硅（SiC）的材料特性。h 氧化镓（Ga₂O₃）子模块与假设的碳化硅（SiC）子模块的临界结温（Tⱼ）随浪涌电流脉冲宽度变化的提取结果。依托氧化镓（Ga₂O₃）的高体积热容，氧化镓（Ga₂O₃）子模块在短脉冲浪涌电流条件下可实现更低的结温（Tⱼ）。

DOI：

doi.org/10.1038/s41467-026-71274-6