小米公布射频器件研发成果：低压硅基GaN PA首次实现移动端验证

电子发烧友网综合报道 小米公布GaN射频器件研发新进展！在近期举行的第 71 届国际电子器件大会（IEDM 2025）上，小米集团手机部与苏州能讯高能半导体有限公司、香港科技大学合作的论文《First Integration of GaN Low-Voltage PA MMIC into Mobile Handsets with Superior Efficiency Over 50%》成功入选，并在 “GaN and III-V Integration for Next-Generation RF Devices” 分会场首个亮相，标志着氮化镓高电子迁移率晶体管（GaN HEMT）技术在移动终端通信领域实现历史性突破。

当前移动通信正处于从 5G/5G-Advanced 向 6G 演进的关键阶段，手机射频前端器件面临超高效率、超宽带、超薄化与小型化的多重技术挑战。作为射频发射链路核心组件，功率放大器（PA）的性能直接决定终端通信系统的能效、频谱利用率与信号覆盖能力。

长期以来，主流手机功率放大器采用砷化镓（GaAs）半导体工艺，虽在过去数代通信系统中发挥关键作用，但随着 6G 技术对频段、带宽与能效的要求持续提升，GaAs 材料在电子迁移率、热导率和击穿电场等方面的物理限制日益凸显，其功率附加效率、功率密度和高温工作稳定性等关键指标逐渐逼近理论极限，已难以满足未来通信对更高功率输出、更低能耗与更紧凑封装尺寸的综合需求。

氮化镓（GaN）作为宽禁带半导体材料，凭借高临界击穿电场与优异热导性能，被视为突破射频功放性能瓶颈的重要方向。但传统 GaN 器件主要面向通信基站设计，需在 28V/48V 高压下工作，无法与手机终端现有低压供电系统兼容，成为其在移动设备中规模化应用的关键障碍。

为攻克传统 GaN 技术的低压适配难题，研究团队聚焦硅基氮化镓（GaN-on-Si）技术路线，通过电路设计与半导体工艺的协同创新，实现了从器件研发到系统级应用的跨越：

1. 外延结构与工艺创新，奠定性能基础
采用原位衬底表面预处理结合热预算精确调控的 AlN 成核层工艺，显著抑制硅基 GaN 外延中的界面反应与晶体缺陷，有效降低射频信号传输的衬底耦合损耗与缓冲层泄漏，使射频性能逼近先进碳化硅基 GaN 器件水平；

开发高质量再生长欧姆接触新工艺，突破界面势垒降低与载流子注入效率提升的技术难点，实现极低接触电阻与均匀一致的方块电阻，为器件跨导、输出功率及高温稳定性提供工艺保障。

得益于上述创新，该 GaN HEMT 晶体管在 10V 低压工作条件下，实现功率附加效率（PAE）突破 80%、输出功率密度达 2.84W/mm 的卓越性能，远超传统 GaAs 器件水平。

2. 电路与封装设计，适配手机应用场景
针对耗尽型高电子迁移率晶体管（D-Mode HEMT）的常开特性，设计专用栅极负压供电架构，通过精确负压偏置与缓启动电路，确保器件开关过程稳定可靠，规避误开启与击穿风险；
采用多芯片协同设计与封装技术，实现 GaN HEMT 工艺功放芯片与 Si CMOS 工艺电源管理芯片的高密度封装集成，完成手机射频前端系统的关键性能全面验证。

3. 系统级性能卓越，突破行业极限
在三阶段 MMIC 功率放大器中，该技术实现了优异的系统级性能：在 2.0GHz 频段下，增益达 39.3dB，输出功率（Pout）达 39.3dBm，功率附加效率（PAE）达 60.1%，同时保持高效手机运行所需的线性度，其器件与电路级功率性能超越其他低压射频应用技术。

 
来源：@小米技术

从配套的测试示意图可见，小米团队并未局限于实验室器件测试，而是直接在智能手机主板上，对三阶段 GaN-on-Si 功率放大器（PA）开展了功率性能评估。

该成果的核心价值在于首次将 GaN 低压功率放大器 MMIC 集成至移动终端并实现系统级验证，不仅从学术层面证实了低压硅基氮化镓射频技术的可行性，更在产业层面打破了传统 GaN 技术与手机低压供电系统的兼容壁垒，为 6G 时代终端射频架构演进奠定关键技术基础。

相较于传统 GaN 基功率放大器，该低压氮化镓功放在保持相当线性度的同时，显著提升了功率附加效率，兼顾通信系统的线性度和功率等级要求，展现出在新一代高效移动通信终端中的巨大应用潜力。