近日，第71屆國(guó)際電子器件大會(huì) IEDM 2025（International Electron Devices Meeting，簡(jiǎn)稱(chēng) IEDM）在美國(guó)舊金山召開(kāi)。
在本屆 IEDM 上，小米集團(tuán)手機(jī)部與蘇州能訊高能半導(dǎo)體有限公司、香港科技大學(xué)合作的論文成功入選，率先報(bào)道了應(yīng)用于移動(dòng)終端的高效率低壓硅基氮化鎵射頻功率放大器，并在 GaN and III-V Integration for Next-Generation RF Devices 分會(huì)場(chǎng)首個(gè)亮相。
今年恰逢會(huì)議主題為“場(chǎng)效應(yīng)晶體管的百年歷史：塑造器件創(chuàng)新的未來(lái)”，此次入選標(biāo)志著氮化鎵高電子遷移率晶體管（GaN HEMT）技術(shù)在移動(dòng)終端通信領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)歷史性突破，并獲得了國(guó)際頂尖學(xué)術(shù)平臺(tái)的高度認(rèn)可。
這一成果源于小米對(duì)“技術(shù)為本”的堅(jiān)持，以及對(duì)研發(fā)、人才與創(chuàng)新的高度重視，是小米“持續(xù)大規(guī)模投入底層核心技術(shù)，致力成為全球的新一代硬核科技的領(lǐng)導(dǎo)者”的重要例證之一。
IEDM 是全球半導(dǎo)體與電子器件領(lǐng)域最具權(quán)威和影響力的頂級(jí)會(huì)議之一，以其嚴(yán)苛的評(píng)審標(biāo)準(zhǔn)與前瞻性的技術(shù)視野，被譽(yù)為“電子器件突破性技術(shù)的風(fēng)向標(biāo)”和“器件的奧林匹克盛會(huì)”，在國(guó)際半導(dǎo)體技術(shù)界享有很高的學(xué)術(shù)地位和廣泛的影響力。會(huì)議始于1955年，距今已有七十余年歷史，是報(bào)告半導(dǎo)體和電子器件技術(shù)、設(shè)計(jì)、制造、物理和建模等領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)突破的世界頂級(jí)論壇，同時(shí)它也是國(guó)際著名高校、研發(fā)機(jī)構(gòu)和 Intel、 TSMC、三星、 IBM 等發(fā)布先進(jìn)技術(shù)和最新進(jìn)展的重要窗口和平臺(tái)。每一年的 IEDM 盛會(huì)，都是全球半導(dǎo)體行業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)。本次會(huì)議以100 YEARS of FETs: SHAPING the FUTURE of DEVICE INNOVATIONS 為主題，于2025年12月6日至10日召開(kāi)。論文簡(jiǎn)介
入選論文題目：《First Integration of GaN Low-Voltage PA MMIC into Mobile Handsets with Superior Efficiency Over 50%》
論文作者：張昊宸*，孫躍*（小米），錢(qián)洪途*，劉嘉男（小米），范水靈，韓嘯，張永勝，張暉，張新川，邱俊卓，裴軼，劉水（小米），孫海定，陳敬，張乃千*表示共同第一作者。
該工作由小米手機(jī)射頻團(tuán)隊(duì)主導(dǎo)完成，器件組孫躍博士為項(xiàng)目負(fù)責(zé)人。
論文詳情：https://iedm25.mapyourshow.com/8_0/sessions/session-details.cfm?scheduleid=273
研究背景
在當(dāng)前移動(dòng)通信技術(shù)從 5G/5G-Advanced 向 6G 演進(jìn)的關(guān)鍵階段，手機(jī)射頻前端器件正持續(xù)面臨超高效率、超寬帶、超薄化與小型化的多重技術(shù)挑戰(zhàn)。
作為射頻發(fā)射鏈路的核心組件，功率放大器負(fù)責(zé)將微弱的射頻信號(hào)有效放大并輻射傳輸至基站，其性能直接決定了終端通信系統(tǒng)的能效、頻譜利用率與信號(hào)覆蓋能力。目前主流手機(jī)功率放大器廣泛采用砷化鎵（GaAs）半導(dǎo)體工藝，該技術(shù)已商用二十余年，在過(guò)去數(shù)代通信系統(tǒng)中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。
然而，隨著 6G 技術(shù)愿景逐步清晰，通信系統(tǒng)對(duì)頻段、帶寬與能效的要求不斷提升， GaAs 材料在電子遷移率、熱導(dǎo)率和擊穿電場(chǎng)等方面的物理限制日益凸顯，導(dǎo)致其在功率附加效率、功率密度和高溫工作穩(wěn)定性等關(guān)鍵指標(biāo)上逐漸逼近理論極限。因此，傳統(tǒng) GaAs 基功率放大器已難以滿(mǎn)足未來(lái)通信對(duì)更高功率輸出、更低能耗與更緊湊封裝尺寸的綜合需求。
在此背景下，以氮化鎵（GaN）為代表的寬禁帶半導(dǎo)體材料，憑借其高臨界擊穿電場(chǎng)與優(yōu)異的熱導(dǎo)性能，被視為突破當(dāng)前射頻功放性能瓶頸的重要技術(shù)方向之一。
然而，傳統(tǒng) GaN 器件主要面向通信基站設(shè)計(jì)，通常需在 28V/48V 的高壓下工作，無(wú)法與手機(jī)終端現(xiàn)有的低壓供電系統(tǒng)相兼容，這成為其在移動(dòng)設(shè)備中規(guī)?；瘧?yīng)用的關(guān)鍵障礙。
為攻克這一難題，研究團(tuán)隊(duì)聚焦于硅基氮化鎵（GaN-on-Si）技術(shù)路線，通過(guò)電路設(shè)計(jì)與半導(dǎo)體工藝的協(xié)同創(chuàng)新，成功開(kāi)發(fā)出面向手機(jī)低壓應(yīng)用場(chǎng)景的射頻氮化鎵高遷移率電子晶體管（GaN HEMT）技術(shù)，并率先在手機(jī)平臺(tái)上完成了系統(tǒng)級(jí)性能驗(yàn)證，為6G時(shí)代終端射頻架構(gòu)的演進(jìn)奠定了關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)。
研究方法和實(shí)驗(yàn)
在外延結(jié)構(gòu)方面，本研究重點(diǎn)圍繞降低射頻損耗與優(yōu)化歐姆接觸兩大關(guān)鍵問(wèn)題展開(kāi)技術(shù)攻關(guān)。
一方面，通過(guò)實(shí)施原位襯底表面預(yù)處理，并結(jié)合熱預(yù)算精確調(diào)控的 AlN 成核層工藝，顯著抑制了 Si 基 GaN 外延中的界面反應(yīng)與晶體缺陷，有效降低了射頻信號(hào)傳輸過(guò)程中的襯底耦合損耗與緩沖層泄漏，使其射頻性能逼近當(dāng)前先進(jìn)的 SiC 基 GaN 器件水平。
另一方面，通過(guò)開(kāi)發(fā)高質(zhì)量再生長(zhǎng)歐姆接觸新工藝，在降低界面勢(shì)壘與提升載流子注入效率方面取得突破，實(shí)現(xiàn)了極低的接觸電阻與均勻一致的方塊電阻，為提升器件跨導(dǎo)、輸出功率及高溫穩(wěn)定性奠定了工藝基礎(chǔ)。
得益于外延設(shè)計(jì)優(yōu)化與工藝創(chuàng)新，該晶體管能夠在 10V 工作電壓下，實(shí)現(xiàn)了功率附加效率突破80%、輸出功率密度達(dá) 2.84 W/mm 的卓越性能。
結(jié)合手機(jī)終端產(chǎn)品的器件需求定義，我們進(jìn)一步制定了器件的具體實(shí)現(xiàn)方案。該方案針對(duì)耗盡型高電子遷移率晶體管（D-Mode HEMT）的常開(kāi)特性，設(shè)計(jì)了專(zhuān)用的柵極負(fù)壓供電架構(gòu)，通過(guò)精確的負(fù)壓偏置與緩啟動(dòng)電路，確保器件在開(kāi)關(guān)過(guò)程中保持穩(wěn)定可靠，有效規(guī)避誤開(kāi)啟與擊穿風(fēng)險(xiǎn)。
在模組集成層面，通過(guò)多芯片協(xié)同設(shè)計(jì)與封裝技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了 GaN HEMT 工藝的功放芯片與 Si CMOS 工藝的電源管理芯片在模組內(nèi)進(jìn)行高密度封裝集成。最終，該器件在手機(jī)射頻前端系統(tǒng)中完成了關(guān)鍵性能指標(biāo)的全面驗(yàn)證，為低壓氮化鎵技術(shù)在下一代移動(dòng)通信終端中的應(yīng)用提供重要參考。
研究結(jié)論
相較于傳統(tǒng)的 GaAs 基功率放大器，在保持相當(dāng)線度性的同時(shí)，研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的低壓氮化鎵功放展現(xiàn)出顯著的性能優(yōu)勢(shì)。最終，該器件實(shí)現(xiàn)了比上一代更高的功率附加效率（PAE），并同時(shí)兼顧通信系統(tǒng)的線性度和功率等級(jí)要求，在系統(tǒng)級(jí)指標(biāo)上達(dá)成重要突破。
未來(lái)展望
這一成果的實(shí)現(xiàn)，標(biāo)志著低壓硅基氮化鎵射頻技術(shù)從器件研發(fā)成功跨越至系統(tǒng)級(jí)應(yīng)用。這不僅從學(xué)術(shù)層面驗(yàn)證了該技術(shù)的可行性，更在產(chǎn)業(yè)層面彰顯了其在新一代高效移動(dòng)通信終端中的巨大潛力。我們將持續(xù)深化與產(chǎn)業(yè)鏈的協(xié)同創(chuàng)新，推動(dòng)該技術(shù)向更復(fù)雜的通信場(chǎng)景拓展，加速其在移動(dòng)終端領(lǐng)域的規(guī)模化商用進(jìn)程。
未來(lái)，小米更加堅(jiān)定走科技創(chuàng)新的道路，推動(dòng)更多前沿技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室走向規(guī)?；涞?，不斷探索并實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)大、更可靠、更極致的未來(lái)通信體驗(yàn)。
來(lái)源：小米技術(shù)
