Исследователи из Гонконгского университета (HKU) и Центра передовых полупроводников и интегральных схем (CASIC) под руководством профессора Юйхао Чжана, доктора Хэхэ Гуна и аспиранта Синь Яна совместно с коллегами из Виргинского политехнического института и Нанкинского университета разработали силовой модуль на основе оксида галлия (Ga2O3). Результаты опубликованы в журнале Nature Communications.

Оксид галлия относится к классу сверхширокозонных (ultra-wide bandgap, UWBG) полупроводников - материалов, которые выдерживают очень сильные электрические поля, не разрушаясь. Это делает их перспективными для мощной электроники. Однако у оксида галлия есть слабое место: он плохо отводит тепло. Кроме того, объединять несколько таких приборов в один модуль для работы при высоком напряжении и токе технически сложно. Поэтому раньше реальные устройства на Ga2O3 показывали относительно небольшую мощность.

Чтобы обойти ограничения, команда спроектировала полупроводник и корпус как единую систему. В частности, исследователи предложили архитектуру с охлаждением со стороны перехода (junction-side cooling): область, где выделяется тепло, разместили ближе к пути отвода тепла. Дополнительно ввели изолирующий слой с высокой диэлектрической проницаемостью - способностью материала накапливать электрический заряд под действием поля, - который помогает перераспределять электрическое поле вокруг прибора. В результате тепло уходит эффективнее, а модуль выдерживает более высокое напряжение.

В импульсном режиме (короткие включения) один упакованный прибор на Ga2O3 проводил ток 234 ампера при напряжении 1000 вольт и оставался рабочим при температуре перехода выше 250 градусов Цельсия. Затем шесть таких приборов объединили в модуль, который многократно переключался при 1000 В и 1000 А на частоте 1 кГц. Пиковая мощность при этом составила один мегаватт.

"Это первый случай, когда сверхширокозонный многокристальный модуль достиг мегаваттного уровня мощности, - приводит слова Хэхэ Гуна пресс-релиз. - Что важнее, результат дает масштабируемый подход для превращения исключительных свойств таких материалов в практические мощные системы".

Авторы отмечают, что технология особенно перспективна для импульсных применений, где огромную энергию нужно передать за микросекунды. В числе возможных областей - защита будущих электросетей от высоких напряжений, медицинское оборудование, ускорители частиц и термоядерные установки. Быстрое переключение модуля может также позволить создавать более компактные и эффективные преобразователи энергии.

Работа продолжает прежние исследования команды по совместному проектированию приборов и корпусов; одно из них было отмечено как технический хайлайт на конференции IEEE IEDM 2025. Значимость направления обсуждалась и в статье News & Views в Nature Electronics в 2025 году под заголовком "Powering the ultrawide-bandgap era".

Источник: Tech Xplore