港大製高速「電子開關」 功率處理升逾百倍
香港文匯報訊（記者 莫楠）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。因應傳統硅功率器件正逐步接近其材料物理極限，香港大學電機電子工程系與先進半導體及集成電路中心研究團隊，研發出可處理兆瓦級電功率的氧化鎵（Ga2O3）功率模組，可重複實現1,000伏特、1,000安培的高速開關操作，其功率處理能力提升超過兩個數量級（即百倍計），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。
氧化鎵屬新興超寬禁帶的第四代半導體材料，能承受極高電場，在高壓電子技術中極具潛力；惟實際器件長期受導熱能力較低，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、絕緣及可靠性等挑戰，令功率能力受限。
由港大電機電子工程系教授張宇昊、博士後研究員鞏賀賀及博士生楊鑫共同領導的國際研究團隊，開發全新「結側散熱」架構，使半導體中主要產生熱量的區域更接近散熱路徑，同時引入高介電常數絕緣層，重新調控器件周圍電場分布。
張宇昊表示，研究顯示氧化鎵的散熱限制並不意味無法實現極高功率。傳統方法往往分開設計半導體器件和封裝，團隊則將兩者視為完整系統協同設計，從而同時控制電場分布、熱流傳導及機械應力。
模組高電壓承受力大增
兩種設計相互配合，不僅更有效將熱量導出，亦提升模組高電壓承受能力。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仍能正常運作。其後，團隊將六個器件整合成更大型功率模組，成功以1kHz頻率重複實現1,000伏特、1,000安培開關操作，峰值功率達一兆瓦。
鞏賀賀表示，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，更重要的是提供一套可擴展技術路徑，讓氧化鎵優異材料特性真正轉化為實際高功率電子系統。
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電能。與需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，提升整體能源效率。
