Инженеры разрабатывают первый в мире полупроводниковый модуль сверхширокополосной мощности мощностью в мегаватт

Исследователи из департамента электротехники и вычислительной техники инженерного факультета Гонконгского университета (HKU) и Центра передовых полупроводников и интегральных схем (CASIC) разработали модуль питания из полупроводникового оксида галлия (ga₂o₃) со сверхширокозонной полосой пропускания (UWBG), способный работать с мощностью мегаватт преобразование, открывающее новые возможности для создания компактных и высокоэффективных энергосистем в таких областях, как электросети, медицинское оборудование и термоядерная энергетика.

Команда, возглавляемая профессором Юхао Чжаном, доктором Хехе Гонгом и аспирантом Синь Яном, в сотрудничестве с профессором Го-Цюань Лу из Технологического института Вирджинии и профессором Цзяньдун Е из Нанкинского университета, продемонстрировала многокристальный модуль питания ga₂o₃, способный многократно переключать напряжение на 1000 вольт и 1000 ампер. Эта технология, которая была опубликована в Nature Communications, более чем на два порядка увеличивает мощность, ранее продемонстрированную при использовании СШП полупроводниковых технологий.

Силовые полупроводниковые устройства действуют как "переключатели", которые управляют и преобразуют электроэнергию в современных системах - от центров обработки данных с искусственным интеллектом и электромобилей до систем возобновляемой энергетики и электросетей. Обычные кремниевые устройства приближаются к своим физическим пределам, в то время как новые полупроводники с широкой запрещенной зоной, такие как карбид кремния и нитрид галлия, позволили значительно повысить эффективность и плотность мощности.

Оксид галлия относится к новому классу материалов, известных как СШП полупроводники. Его способность выдерживать чрезвычайно высокие электрические поля делает его весьма привлекательным для будущей высоковольтной электроники. Однако практичные устройства ga₂o₃ исторически были ограничены относительно низкой мощностью, поскольку материал недостаточно эффективно проводит тепло, а при высоком напряжении и токе становится все труднее объединять несколько устройств.

"Наша работа показывает, что тепловые ограничения оксида галлия не обязательно препятствуют достижению им очень высоких уровней мощности", - сказал Чжан. "Вместо того, чтобы рассматривать полупроводниковое устройство и его корпус по отдельности, мы разработали их вместе как единую систему. Совместная разработка этого устройства и комплекта оборудования позволила нам одновременно управлять электрическим полем, тепловым потоком и механическими нагрузками".

The researchers developed a new "junction-side cooling" architecture that places the heat-generating region of the semiconductor close to the cooling path. They further introduced a high-permittivity insulating layer that helps redistribute the electric field around the device. Together, these approaches allow heat to escape more efficiently while also improving the voltage-handling capability of the module.

A single packaged Ga₂O₃ device was able to conduct 234 amperes at 1,000 volts during pulsed operation, while remaining functional at junction temperatures exceeding 250°C. The team then integrated six devices into a larger module and demonstrated repetitive switching at 1,000 volts and 1,000 amperes at a frequency of 1 kHz, corresponding to a peak power level of one megawatt.

"This is the first time that a UWBG multi-chip module has reached the megawatt power level," said Gong. "More importantly, the result provides a scalable approach for translating the exceptional material properties of UWBG semiconductors into practical high-power systems."

The technology is particularly promising for pulsed-power applications, where extremely large amounts of electrical energy must be delivered within microseconds. Pulsed-power systems can take advantage of Ga₂O₃'s intrinsically superior volumetric heat capacity to withstand high electric fields and high transient temperatures.

Potential applications include high-voltage protection for future power grids, advanced medical systems, particle accelerators and fusion-energy facilities. The fast switching capability of the module could also enable smaller and more efficient power-conversion systems.

The study builds on the team's earlier research in the co-design of semiconductor devices and packaging. The team's previous research in this area was selected as a Technical Highlight at the 2025 IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM).

The significance of this research direction was also highlighted in a News & Views article in Nature Electronics in 2025 titled "Powering the ultrawide-bandgap era," which discussed the potential of multi-physics device and packaging design to overcome fundamental limitations of emerging semiconductor materials.