Galliumoxid für die Leistungselektronik Galliumoxid-Modul erreicht Megawatt-Peak-Leistung

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Ein Galliumoxid-Diodenmodul erreicht im Pulsbetrieb 1.000 V und 1.000 A. Eine gemeinsam entwickelte Chip- und Gehäusearchitektur verbessert dabei die Feldverteilung und Wärmeabfuhr.

Galliumoxid verspricht Leistungshalbleiter für hohe elektrische Feldstärken. Um dieses Potenzial in leistungsfähigen Modulen zu nutzen, muss jedoch auch die Aufbau- und Verbindungstechnik passen: Sie muss hohe Spannungen isolieren, große Ströme führen und die entstehende Wärme abtransportieren. Gerade die geringe Wärmeleitfähigkeit des Materials stellt dabei eine Herausforderung dar.

Ein Forschungsteam unter Leitung der University of Hong Kong hat einen Ansatz demonstriert, der diese Aufgaben gemeinsam adressiert. Das Galliumoxid-Modul arbeitet laut Hochschule im wiederholten Pulsbetrieb bei 1.000 V und 1.000 A mit einer Frequenz von 1 kHz. Das Produkt aus Schaltspannung und Strom entspricht einer Peak-Leistung von 1 MW. Nach Angaben der Universität erreicht damit erstmals ein Mehrchipmodul aus einem Halbleiter mit ultrabreiter Bandlücke diese Leistungsklasse. Gegenüber früheren Demonstrationen mit vergleichbaren Materialien entspricht dies einer Steigerung um mehr als zwei Größenordnungen.

Chip und Gehäuse gemeinsam entwickeln

Der Ansatz setzt beim Zusammenspiel von Bauelement und Packaging an. Anstatt einen Chip zunächst unabhängig zu optimieren und anschließend zu verkapseln, stimmen die Forschenden elektrische Feldverteilung, Wärmefluss und mechanische Beanspruchung aufeinander ab. An der Arbeit sind neben der HKU auch Virginia Tech und die Nanjing University beteiligt.

Die in Nature Communications veröffentlichte Studie beschreibt ein Galliumoxid-Diodenmodul mit Flip-Chip-Aufbau. Eine Grenzschicht aus Bariumtitanat mit hoher Permittivität entschärft lokale elektrische Feldüberhöhungen am Randabschluss des Bauelements. Zugleich ermöglicht die Ausführung einen Aufbau ohne die sonst üblichen Abstandselemente des konventionellen Flip-Chip-Packagings. Die Forschenden berichten dadurch über eine Verringerung des thermischen Widerstands um mehr als 50 Prozent gegenüber dem Vergleichsaufbau.

Die als „junction-side cooling“ bezeichnete Kühlarchitektur bringt den wärmeerzeugenden Bereich näher an den Wärmeabfuhrpfad. Das Packaging übernimmt damit zwei eng verknüpfte Aufgaben: Es unterstützt die Spannungsfestigkeit und verbessert die thermische Anbindung.

Warum der Pulsbetrieb zum Material passt

Für kurze Belastungen zählt neben der Wärmeleitfähigkeit auch, wie viel Wärme ein Material vorübergehend aufnehmen kann. Hier hebt die Studie die hohe volumetrische Wärmekapazität von Galliumoxid hervor. Zusammen mit dem angepassten Gehäuse und der Temperaturbeständigkeit ergibt sich daraus ein Ansatz für Anwendungen mit kurzzeitig hoher elektrischer Belastung. Für die untersuchte gekapselte Einzeldiode nennt die Veröffentlichung einen stabilen Betrieb bis 250 °C.

Die Megawattangabe beschreibt dabei die erreichte Kombination aus Schaltspannung und Strom im Pulsbetrieb. Sie ist keine Angabe zur kontinuierlichen Ausgangsleistung eines Wandlers. Die Wiederholfrequenz von 1 kHz beschreibt den zeitlichen Abstand der Vorgänge; für die mittlere Leistung sind zusätzlich Pulsdauer und Pulsform maßgeblich.

Perspektive für leistungsfähige Pulssysteme

Als mögliche Einsatzgebiete nennt die Hochschule den Hochspannungsschutz künftiger Stromnetze, Teilchenbeschleuniger, medizinische Systeme und Fusionsanlagen. Gemeinsam ist diesen Anwendungen der Bedarf, hohe elektrische Leistungen kurzzeitig bereitzustellen oder zu beherrschen. Der demonstrierte Betrieb ist daher ein relevanter Schritt für diese Anwendungsklasse.

Die Bedeutung der Arbeit liegt vor allem darin, Materialeigenschaften in ein belastbares Modulkonzept zu übersetzen. Die geringe Wärmeleitfähigkeit von Galliumoxid bleibt eine Materialeigenschaft; eine geeignete Kühlarchitektur kann ihre Auswirkungen jedoch abmildern. Zugleich erschließt der Blick auf die Wärmekapazität einen Vorteil für transiente Belastungen.

Damit zeigt die Untersuchung eine konkrete Entwicklungsperspektive für Galliumoxid in der gepulsten Leistungselektronik. Für die Übertragung in Anwendungen werden nun insbesondere die jeweils erforderlichen Pulsprofile, Kühlbedingungen und die Langzeitzuverlässigkeit entscheidend sein. (mr)

Quellen:

The University of Hong Kong: https://lead.hku.hk/en/news/2026/11/world-first-power-module-hku-engineering/

Nature: https://www.nature.com/articles/s41467-026-71274-6

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