CN114300936A - 基于GaN HEMT的激光器驱动电路及其单片集成方法 - Google Patents
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Abstract
本公开提供一种基于GaN HEMT的激光器驱动电路，包括：第一GaN HEMT模块，被设置为响应输入的第一电压脉冲信号，输出第二电压脉冲信号；电压脉冲反相模块，与所述第一GaN HEMT模块相连，被设置将所述第二电压脉冲信号进行反相得到第三电压脉冲信号；以及第二GaN HEMT模块，被设置为响应所述第三电压脉冲信号，输出放大的脉冲电流，驱动激光器发光。同时本公开还提供一种激光器驱动电路单片集成方法，将以上所述的激光器驱动电路进行集成。
Description
技术领域
本公开涉及激光技术领域，尤其涉及一种基于氮化镓高电子迁移率晶体管(GaNHEMT)的激光器驱动电路及其单片集成方法。
背景技术
目前激光器正处于高速发展的时期，激光器驱动电路的技术更迭也日新月异，现有的激光器驱动电路一般由分立的驱动芯片和功率开关管构成，其寄生参数大，在某些应用场景下，激光器驱动电路的占用面积还不能很好的满足需求，虽然采用多芯片封装的方式可以减小寄生参数，但面积消耗依然过大。因此，激光器驱动电路及其单片集成方法的优化问题亟待解决。
发明内容
(一)要解决的技术问题
基于上述问题，本公开提供了一种基于GaN HEMT的激光器驱动电路及其单片集成方法，以缓解现有技术中激光器驱动电路及集成单片寄生参数大、面积消耗过大等技术问题。
(二)技术方案
本公开的一个方面，提供一种基于GaN HEMT的激光器驱动电路，包括：第一GaNHEMT模块，被设置为响应输入的第一电压脉冲信号，输出第二电压脉冲信号；电压脉冲反相模块，与所述第一GaN HEMT模块相连，被设置将所述第二电压脉冲信号进行反相得到第三电压脉冲信号；以及第二GaN HEMT模块，被设置为响应所述第三电压脉冲信号，输出放大的脉冲电流，驱动激光器发光。
根据本公开实施例，所述第一电压脉冲信号为第一GaN HEMT模块提供毫安级脉冲电流，所述第一GaN HEMT模块将毫安级脉冲电流放大为安培级脉冲电流。
根据本公开实施例，所述第三电压脉冲信号为第二GaN HEMT模块提供安培级脉冲电流，所述第二GaN HEMT模块将安培级脉冲电流放大为数十安培级脉冲电流。
根据本公开实施例，所述第一电压脉冲信号和第二电压脉冲信号反相；所述第一电压脉冲信号为正脉冲信号，第二电压脉冲信号为负脉冲信号。
根据本公开实施例，所述第二电压脉冲信号和第三电压脉冲信号反相；所述第二电压脉冲信号为负脉冲信号，第三电压脉冲信号为正脉冲信号。
根据本公开实施例，所述第一GaN HEMT模块作为激光器驱动电路的输入级，所述第一GaN HEMT模块，包括：第一GaN HEMT，与信号发生器相连；以及上拉电阻，一端与所述第一GaN HEMT的漏极相连，另一端连接至第一驱动电源(VDD)。
根据本公开实施例，第二GaN HEMT模块作为激光器驱动电路的输出级，所述第二GaN HEMT模块，包括：第二GaN HEMT，其栅极与所述PMOS管的漏极相连；以及激光器，负极与所述第二GaN HEMT的漏极相连，正极与第二驱动电源(VCC)相连。
根据本公开实施例，所述脉冲反相模块作为激光器驱动电路的中间级，包括：PMOS管，其栅极与所述第一GaN HEMT的漏极相连；以及下拉电阻，一端与所述PMOS管的漏极相连，另一端连接至GND。
根据本公开实施例，所述第二GaN HEMT尺寸大于所述第一GaN HEMT尺寸。
本公开的另一方面，提供一种激光器驱动电路单片集成方法，用于将以上任一项所述的激光器驱动电路进行集成，所述单片集成方法，包括：在同一片衬底上制备第一GaNHEMT模块和第二GaN HEMT模块得到第一半导体裸芯；在另一片衬底上制备脉冲反相模块得到第二半导体裸芯；以及将所述第一半导体裸芯和所述第二半导体裸芯采用3D堆叠式封装集成在一起。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本公开基于GaN HEMT的激光器驱动电路及其单片集成方法至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：
(1)能够同时实现窄脉冲与大电流；
(2)简化了电路，减小了电路面积，采用3D堆叠式封装，更容易完成单片集成与小型化；
(3)能够减小寄生效应。
附图说明
图1为本公开实施例的基于GaN HEMT的激光器驱动电路的电路原理示意图。
图2为本公开实施例的不同输入脉宽下的基于GaN HEMT的激光器驱动电路驱动激光器发射的光脉冲输出波形示意图。
图3为本公开实施例的不同输入脉宽下的基于GaN HEMT的激光器驱动电路驱动激光器时输出激光平均光功率与供电电源VCC的平均电功率的示意图。
图4为本公开实施例的基于GaN HEMT的激光器驱动电路的单片集成方法流程图。
【附图中本公开实施例主要元件符号说明】
M1-第一GaN HEMT；
M2-PMOS管
M3-第二GaN HEMT；
R1、R2-电阻；
L-激光器。
具体实施方式
本公开提供了一种基于GaN HEMT的激光器驱动电路及其单片集成方法，其涉及GaN HEMT工艺、Si的功率PMOS工艺、两种工艺中的集成电阻，涉及3D堆叠式封装，主要涉及窄脉冲激光器小型驱动电路。通过取代激光器驱动电路中功率开关管的驱动方式及功率开关管本身，采用较大尺寸的第二GaN HEMT替代功率开关管，采用较小尺寸的第一GaN HEMT所在模块代替栅极驱动IC，在漏极输出的方式下增加一级Si的 PMOS并使其漏极输出得到正脉冲。
当下流行的增强型技术有4种，分别是Cascode技术、凹槽栅技术、氟离子注入技术和P型栅技术。例如利用Cascode结构设计出多种高压 GaN商用器件，相对于其他增强型技术，Cascode技术相对简单。它是将增强型硅MOSFET与耗尽型GaN HEMT器件串联放置，GaNHEMT的源极与MOSFET的漏极连接，GaN HEMT的栅极与MOSFET的源极连接作为器件整体的源极，GaN HEMT的漏极作为器件整体的漏极，MOSFET 的栅极作为器件整体的栅极。但是GaNHEMT在低压时的低导通电阻优势会在这种技术下消失。还有的是使用MIS凹槽栅极结构研究增强型技术。凹槽栅技术是通过在2DEG上方减薄A1GaN势垒层而实现增强型的技术。由于制造工艺的限制，传统干法刻蚀技术给凹槽带来了较大的晶格损伤，最终导致器件漏电较大，降低了器件性能和可靠性。此外，由于难以精确地控制凹槽蚀刻深度和均匀性，因此器件整体性能在阈值电压均匀性和器件漏电控制方面仍面临较大挑战。氟离子注入是GaN器件增强型技术，它是一种将氟离子注入到栅下AlGaN势垒层来实现增强型器件的方法。由于离子注入工艺水平的限制，在氟离子注入过程中，很难精确地控制其注入深度、浓度和分布均匀性，这就导致实际器件的阈值电压不稳定。此外，注入工艺给器件带来了难以修复的晶格损伤，这就导致二维电子气迁移率受到影响，器件整体电导性下降。P型GaN技术是目前商业功率GaN器件应用最为广泛的方法，目前数个企业利用此技术实现了GaN增强型器件商业化。它是在AlGaN势垒层和栅电极之间增加P型GaN层。P型GaN层可以耗尽栅极下方的2DEG，从而使器件在未施加栅极电压时处于关断状态。这也是实现增强型最为稳定的一种方法。本公开的技术方案也采用P型栅结构的GaN HEMT。
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。
在本公开实施例中，提供一种基于GaN HEMT的激光器驱动电路，如图1所示，所述基于GaN HEMT的激光器驱动电路，包括：
第一GaN HEMT模块，被设置为响应输入的第一电压脉冲信号，输出第二电压脉冲信号；
电压脉冲反相模块，与所述第一GaN HEMT模块相连，被设置将所述第二电压脉冲信号进行反相得到第三电压脉冲信号；以及
第二GaN HEMT模块，被设置为响应所述第三电压脉冲信号，输出放大的脉冲电流，驱动激光器L发光。
根据本公开实施例，所述第一电压脉冲信号为第一GaN HEMT模块提供毫安级脉冲电流，所述第一GaN HEMT模块将毫安级脉冲电流放大为安培级脉冲电流。所述第三电压脉冲信号为第二GaN HEMT模块提供安培级脉冲电流，所述第二GaN HEMT模块将安培级脉冲电流放大为数十安培级脉冲电流。根据本公开实施例，所述第一电压脉冲信号和第二电压脉冲信号反相，第二电压脉冲信号和第三电压脉冲信号反相。所述第一电压脉冲信号为正脉冲信号，第二电压脉冲信号为负脉冲信号。所述第二电压脉冲信号为负脉冲信号，第三电压脉冲信号为正脉冲信号。
根据本公开实施例，所述第一GaN HEMT模块作为激光器驱动电路的输入级，所述第一GaN HEMT模块，包括：第一GaN HEMT，与信号发生器相连；以及上拉电阻，一端与所述第一GaN HEMT的漏极相连，另一端连接至第一驱动电源VDD。第二GaN HEMT模块作为激光器驱动电路的输出级，所述第二GaN HEMT模块，包括：第二GaN HEMT，其栅极与所述PMOS管的漏极相连；以及激光器L，负极与所述第二GaN HEMT的漏极相连，正极与第二驱动电源VCC相连。所述脉冲反相模块作为激光器驱动电路的中间级，包括：PMOS管，其栅极与所述第一GaNHEMT的漏极相连；以及下拉电阻，一端与所述PMOS管的漏极相连，另一端连接至GND。
根据本公开实施例，所述第二GaN HEMT尺寸大于所述第一GaN HEMT尺寸。
本公开从激光探测***的实际需求出发，公开了一种基于GaN HEMT 的激光器驱动电路，采用较大尺寸的第二GaN HEMT替代功率开关管，采用较小尺寸的第一GaN HEMT所在模块代替栅极驱动IC，在漏极输出的方式下增加一级Si的PMOS并使其漏极输出得到正脉冲。公开内容包括如图1所示的电路原理图、小尺寸的第一GaN HEMT所在模块(替代栅极驱动IC)、大尺寸的第二GaN HEMT(替代Si的功率开关管)、引入脉冲反相模块(例如Si的PMOS)作为第二级实现脉冲的反相、测试结果、电路单片集成方式的设计。所述的电路原理图包括两个尺寸不同的GaN HEMT、一个Si的PMOS、两个电阻。一个小尺寸的第一GaN HEMT与一个漏极上拉电阻构成电路的输入级，响应mA级电流的输入正脉冲信号，输出安培级电流的负脉冲信号。一个Si的PMOS与一个漏极下拉电阻构成电路的中间级，响应安培级电流的负脉冲信号，输出安培级电流的正脉冲信号。这个正脉冲信号输入到大尺寸的第二GaN HEMT的栅极，可以在漏极实现数十安培的峰值放电电流。所述的小尺寸的第一GaN HEMT 替代栅极驱动IC：基于小尺寸的第一GaN HEMT的极小栅极总电荷，可以使其在信号发生器输出的mA级电流下快速开关，因此可以替代栅极驱动IC作为脉冲信号的响应输入端；同时，小尺寸的第一GaN HEMT有着安培级的脉冲峰值电流，可以快速驱动后级的功率电路，因此，可以替代栅极驱动IC作为后级的栅极驱动。所述的大尺寸的第二GaN HEMT替代 Si的功率开关管：基于GaN HEMT在相同横向尺寸下，比Si的功率MOS 管有着更高的击穿电压，因此在一定的击穿电压要求下，GaN HEMT所需的面积更小，更利于小型化；同时，GaN HEMT有着更高的工作频率上限，利于实现快速上升沿、下降沿，因此，可以替代Si的功率开关管。所述的引入Si的PMOS作为第二级实现脉冲反相：正脉冲信号在经过电路的输入级之后变为了负脉冲，而我们需要电路的输出端是电压负脉冲、电流正脉冲，需要将输入级输出的负脉冲转化为正脉冲，而GaN HEMT目前没有适合的P沟道实现形式，因此，引入Si的PMOS是在不引入大的功耗的情况下较为简单的实现脉冲反相的形式。所述的测试结果是指不同输入脉冲宽度下，电路驱动激光器发射的脉冲光波形、供电电源VCC的平均电功率和输出激光平均光功率。所用的激光器是波长为860nm的半导体激光器，测试频率为10kHz，输入脉冲电压为5V，电源VDD电压为5V，电源VCC电压为12V。测试原理是：VCC电功率直接从电源屏幕上读取；脉冲光波形由探测器接示波器，在示波器上观察得到；光功率由激光功率计直接测量。测试结果如图2、图3所示，由图2可见，电路能够响应的最小输入信号脉宽为10ns，输出光信号的峰值随着输入信号脉宽增加而增加，而后趋于不变；由图3可见，电压源VCC的平均输出功率与激光器的平均输出光功率随输入信号脉宽的增加基本呈线性增加。
本公开还提供一种激光器驱动电路单片集成方法，用于将以上所述的激光器驱动电路进行集成，如图4所示，所述单片集成方法包括：
操作S1：在同一片衬底上制备第一GaN HEMT模块和第二GaN HEMT模块得到第一半导体裸芯；
操作S2：在另一片衬底上制备脉冲反相模块得到第二半导体裸芯；
操作S3：将所述第一半导体裸芯和所述第二半导体裸芯采用3D堆叠式封装集成在一起。
上述的电路单片集成方式的设计：小尺寸的第一GaN HEMT漏极连接的上拉电阻可以利用GaN HEMT制造工艺制作沟道电阻，小尺寸的第一GaN HEMT漏极连接的上拉电阻可以利用GaN HEMT制造工艺制作沟道电阻，不同尺寸的GaN HEMT的原胞可以采用相同的参数设计，则不同尺寸GaN HEMT可以利用不同数量的原胞并联形成，则R1、M1、M3 可以制作在一片衬底上；同理，M2与R2可以制作在一片衬底上，最终采用3D堆叠式封装将两个部分的裸芯集成在一起，可以实现单片集成，可以大幅降低电路面积、减小寄生效应。
整个电路在pcb板上实现，整体面积为13.8mm*11.4mm。GaN HEMT 采用EPC2036与EPC2045，PMOS采用NCE2303，两个电阻采用普通的贴片电阻，阻值皆为3.9Ω。使用波长为860nm的半导体激光器，测试频率为10kHz，输入脉冲电压为5V，电源VDD电压为5V，电源VCC电压为12V。测量不同输入脉冲宽度下，电路驱动激光器发射的脉冲光波形、放电回路电源VCC的平均电功率和光脉冲输出平均光功率。放电回路电功率直接从电源屏幕上读取；脉冲光波形由探测器接示波器，在示波器上观察得到；光功率由激光功率计直接测量。
至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。
依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开基于GaN HEMT的激光器驱动电路及其单片集成方法有了清楚的认识。
综上所述，本公开提供了一种基于GaN HEMT的激光器驱动电路及其单片集成方法，小尺寸GaN HEMT可以在信号发生器的直接驱动下正常工作，具有快速上升沿和下降沿，同时拥有不低的脉冲峰值电流可以用于驱动后级电路。为避免出现源极驱动方式下的震荡现象，则采用漏极驱动方式，漏极接上拉电阻，栅极输入的正脉冲在漏极变为负脉冲。将漏极接到一个Si的PMOS的栅极，并在PMOS漏极接一个下拉电阻，实现脉冲的反相。再将PMOS的漏极接至后级开关管的栅极，实现对激光器放电回路的脉冲放电控制。该驱动电路采用一级GaN HEMT和一级Si的PMOS 替代传统的栅极驱动IC，在实现窄脉冲与大电流的同时，简化了电路，减小了电路面积，更容易完成单片集成与小型化。
还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。
说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。
此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于GaN HEMT的激光器驱动电路，包括：
第一GaN HEMT模块，被设置为响应输入的第一电压脉冲信号，输出第二电压脉冲信号；
电压脉冲反相模块，与所述第一GaN HEMT模块相连，被设置将所述第二电压脉冲信号进行反相得到第三电压脉冲信号；以及
第二GaN HEMT模块，被设置为响应所述第三电压脉冲信号，输出放大的脉冲电流，驱动激光器发光。
2.根据权利要求1所述的基于GaN HEMT的激光器驱动电路，所述第一电压脉冲信号为第一GaN HEMT模块提供毫安级脉冲电流，所述第一GaN HEMT模块将毫安级脉冲电流放大为安培级脉冲电流。
3.根据权利要求1所述的基于GaN HEMT的激光器驱动电路，所述第三电压脉冲信号为第二GaN HEMT模块提供安培级脉冲电流，所述第二GaN HEMT模块将安培级脉冲电流放大为数十安培级脉冲电流。
4.根据权利要求1所述的基于GaN HEMT的激光器驱动电路，所述第一电压脉冲信号和第二电压脉冲信号反相；所述第一电压脉冲信号为正脉冲信号，第二电压脉冲信号为负脉冲信号。
5.根据权利要求1所述的基于GaN HEMT的激光器驱动电路，所述第二电压脉冲信号和第三电压脉冲信号反相；所述第二电压脉冲信号为负脉冲信号，第三电压脉冲信号为正脉冲信号。
6.根据权利要求1所述的基于GaN HEMT的激光器驱动电路，所述第一GaN HEMT模块作为激光器驱动电路的输入级，所述第一GaN HEMT模块，包括：
第一GaN HEMT，与信号发生器相连；以及
上拉电阻，一端与所述第一GaN HEMT的漏极相连，另一端连接至第一驱动电源(VDD)。
7.根据权利要求6所述的基于GaN HEMT的激光器驱动电路，第二GaN HEMT模块作为激光器驱动电路的输出级，所述第二GaN HEMT模块，包括：
第二GaN HEMT，其栅极与所述PMOS管的漏极相连；以及
激光器，负极与所述第二GaN HEMT的漏极相连，正极与第二驱动电源(VCC)相连。
8.根据权利要求1所述的基于GaN HEMT的激光器驱动电路，所述脉冲反相模块作为激光器驱动电路的中间级，包括：
PMOS管，其栅极与所述第一GaN HEMT的漏极相连；以及
下拉电阻，一端与所述PMOS管的漏极相连，另一端连接至GND。
9.根据权利要求7所述的基于GaN HEMT的激光器驱动电路，所述第二GaN HEMT尺寸大于所述第一GaN HEMT尺寸。
10.一种激光器驱动电路单片集成方法，用于将权利要求1-9任一项所述的激光器驱动电路进行集成，所述单片集成方法，包括：
在同一片衬底上制备第一GaN HEMT模块和第二GaN HEMT模块得到第一半导体裸芯；
在另一片衬底上制备脉冲反相模块得到第二半导体裸芯；以及
将所述第一半导体裸芯和所述第二半导体裸芯采用3D堆叠式封装集成在一起。
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