A megawatt ultra-wide bandgap semiconductor module for pulsed power electronics

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作者
Hehe Gong,Xin Yang,Boyan Wang,Zichen Zhang,Qingrui Yuchi,Zineng Yang,Matthew Porter,Hongchang Cui,Yuan Qin,Rong Zhang,Han Wang,Dong Dong,Jiandong Ye,Guo‐Quan Lu,Yuhao Zhang
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
标识
DOI:10.1038/s41467-026-71274-6
摘要

Ultra-wide bandgap semiconductors exhibit advantageous electronic properties that make them promising for high-voltage, high-power electronics applications. Building on over a decade of progress in material growth and device fabrication, discrete ultra-wide bandgap devices with power-switching capacities up to the kilowatt level have been recently demonstrated. However, a packaged, multi-die ultra-wide bandgap power module - essential for further power scaling toward industrial, biomedical, grid, and aerospace applications - has yet to be realized. Here, we present a flip-chip packaged gallium oxide power module capable of 1000 A, 1000 V pulsed power switching with fast speed and minimal reverse recovery, advancing the power capacity of ultra-wide bandgap electronics by over two orders of magnitude. To address challenges posed by high electric fields and transient power surges, we employ a high-permittivity interface design enabling device-package electrothermal co-optimization. This optimization maximizes the module's transient thermal performance and enables full exploitation of the high volumetric heat capacity of gallium oxide-a largely untapped advantage in prior device development-alongside its high-temperature stability. The optimized ultra-wide bandgap module achieves over 1.8 MW/cm2 pulsed power capacity density, outperforming silicon and wide-bandgap semiconductor counterparts and suggesting the promise of ultra-wide bandgap electronics in next-generation high-power systems.
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