一种双向开关和电子器件的制作方法

本技术涉及半导体，并且更具体地，涉及一种双向开关和电子器件。

背景技术：

1、随着半导体技术的发展，双向开关凭借其双向导通能力、高效低损耗以及简单的结构成为交流控制、能量转换、高频电力电子等领域的理想选择。随着宽禁带半导体(例如碳化硅或氮化镓)的普及，双向开关的应用得到了进一步扩展。然而，双向开关在高频、高压场景下仍在存在电场分布不均的问题，从而导致存在局部击穿、热失控或寿命缩短等风险。

2、有鉴于此，如何实现双向开关的电场均衡，是亟待解决的问题。

技术实现思路

1、本技术提供一种双向开关和电子器件，可以通过第三场板结构的设置实现双向开关的电场均衡。

2、第一方面，提供了一种双向开关，包括：衬底、设置于该衬底上的有源层，和设置于该有源层上的势垒层；设置于该势垒层第一面的第一栅极、第二栅极、第一源极和第二源极，该第一栅极设置于该第一源极和该第二栅极之间，该第二栅极设置于该第一栅极和该第二源极之间；至少一层金属场板结构，该至少一层金属场板结构中的每层金属场板结构包括第一场板和第二场板，该第一场板的一端与该第一源极电气连接，该第二场板的一端与该第二源极电气连接；至少一层第三场板结构，该至少一层第三场板结构设置于第一平面的上方，且在该第一平面的投影位于该第一栅极和该第二栅极之间，该第一平面为该第一栅极的第一面和该第二栅极的第一面所在的平面，该至少一层第三场板结构中的每层第三场板结构包括至少一个第三场板。

3、需要说明的是，本技术实施例中的第一面为上表面或正面。如“设置于势垒层第一面的第一栅极、第二栅极、第一源极和第二源极”可以理解为：第一栅极、第二栅极、第一源极和第二源极的下表面与势垒层的上表面直接接触；或者也可以理解为：势垒层与第一栅极、第二栅极、第一源极和/或第二源极之间可以存在其他的层。

4、可选地，双向开关还可以包括设置在衬底和有源层之间的缓冲层、设置于衬底和缓冲层之间的成核层、设置于势垒层上(如势垒层表面)的钝化层和/或设置于势垒层上(也可以至少部分覆盖第一栅极和第二栅极)的间隔层等。

5、其中，第三场板的材料可以包括钛(ti)、钽(ta)、氮化钛(tin)、氮化钽(tan)等导电材料，也可以为铝、铜掺杂硅以及包括上述材料的合金。可选地，第三场板的材料还可以进一步包括低阻材料，例如多晶硅、硅铬化合物等。

6、基于上述方案，相比于传统的双向开关，本技术实施例提出的双向开关在两个栅极之间的接入区增加了至少一层第三场板结构，能够覆盖更多高电场区域，削弱栅极之间的电场尖峰，避免局部击穿。提升了器件的耐压能力并降低了动态崩塌效应的影响，并缩短栅极之间的间距，进一步使得包括该双向开关的器件(例如芯片)具有更高的可靠性和成本竞争力。

7、结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，该双向开关包括n层金属场板结构和n层第三场板结构，第i层第三场板结构与该第i层金属场板结构设置于同一层，其中，n为正整数，i为小于或等于n的正整数。

8、在这种情况下，对于每层金属场板结构都对应设置了第三场板结构，同层第一场板和第二场板之间的电场尖峰可以优先被同层的第三场板削弱，从而更好的实现对于双向开关的电场均衡。由于第三场板结构和金属场板结构设置于同一层，可以基于一张掩膜实现设置于同层的场板的制备，从而节省制备步骤，降低双向开关的制备复杂度。此外，同层结构还可以进一步压缩空间，使得双向开关可以具有更高的集成度。

9、结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，该双向开关包括n层金属场板结构和m层第三场板结构，第i层第三场板结构与第j层金属场板结构设置于同一层，其中，n和m均为正整数，i为小于或等于m的正整数，j为小于或等于n的正整数，m小于或等于n。

10、在这种情况下，并非每层金属场板结构都对应设置了第三场板结构，可以降低第三场板的制备复杂度。由于第三场板结构和金属场板结构设置于同一层，可以基于一张掩膜实现设置于同层的场板的制备，从而节省了制备步骤。此外，同层结构还可以进一步压缩空间，使得双向开关可以具有更高的集成度。

11、结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，该每层第三场板结构在第一方向包括至少一个第三场板，在第二方向包括至少一个第三场板。

12、其中，关于第一方向和第二方向可以参考图6示出的相关说明。

13、基于上述方案，每层第三场板结构包括的第三场板的数量可以灵活设置，使得第三场板的数量能够适用于双向开关的具体应用情况。例如，可以根据接入区电场强度确定第三场板结构的层数以及每层的第三场板的数量(如可以根据接入区呈现的电场尖峰，在对应的尖峰位置附近设置更多的第三场板以实现对于该尖峰处更好的电场均衡)。

14、结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，在该每层第三场板结构在第一方向包括一个第三场板的情况下，该第三场板是沿该第一方向延伸的条状场板。

15、结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，在该双向开关包括多层第三场板结构的情况下，该多层第三场板结构中的至少两层第三场板结构包括的第三场板在该第一平面的投影至少部分重叠；或者，该多层第三场板结构包括的第三场板在该第一平面的投影不重叠。

16、基于上述方案，每层第三场板结构包括的第三场板的位置同样可以灵活设置，使得第三场板的位置能够适用于双向开关的具体应用情况。例如，可以根据接入区电场强度确定第三场板结构的层数以及每层的第三场板的位置(如可以根据接入区呈现的电场尖峰，在对应的尖峰位置附近设置第三场板以实现对于该尖峰处的电场均衡)。

17、结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，该第三场板在该第一平面的投影形状包括矩形、正方形、圆形、椭圆形、梭形和/或多边形。

18、基于上述方案，第三场板在第一平面的投影形状设置具有较强的灵活性，易于适应工业设计生产。结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，该双向开关还包括：电介质层，该电介质层设置于该势垒层和该至少一层场板结构之间，该电介质层包裹该至少一层第三场板结构，该电介质层的材料包括硅氧化合物、硅氮化合物或硅氧氮化合物。

19、基于上述方案，第三场板可以通过电介质层与半导体表面形成多级电容网络，逐级吸引或排斥表面电荷，使耗尽区横向扩展更均匀。

20、结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，该双向开关为氮基双向开关，该有源层为氮基有源层，该势垒层为氮基势垒层。

21、在一种可能的实现方式中，在衬底上外延生长氮化镓(gan)，且为了实现高质量的gan层，在外延生长gan之前，可以先生长氮化铝(aln)、氮化铝镓(algan)以及gan的缓冲层用于释放应力和减少位错。

22、结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，设置于同一层的金属场板结构和第三场板结构由同层材料刻蚀形成。

23、在这种情况下，可以一次性实现同层金属场板和第三场板的制备，降低了双向开关制备工艺的复杂度和时间开销。

24、第二方面，提供了一种双向开关的制备方法，该方法包括：在衬底上形成有源层；在该有源层上形成势垒层；在该势垒层的第一面形成第一栅极、第二栅极、第一源极和第二源极，该第一栅极设置于该第一源极和该第二栅极之间，该第二栅极设置于该第一栅极和该第二源极之间；在该势垒层上形成至少一层金属场板结构和至少一层第三场板结构，该至少一层金属场板结构中的每层金属场板结构包括第一场板和第二场板，该第一场板的一端与该第一源极电气连接，该第二场板的一端与该第二源极电气连接，该至少一层第三场板结构设置于第一平面的上方，且在该第一平面的投影位于该第一栅极和该第二栅极之间，该第一平面为该第一栅极的第一面和该第二栅极的第一面所在的平面，该至少一层第三场板结构中的每层第三场板结构包括至少一个第三场板。

25、结合第二方面，在第二方面的某些实现方式中，该双向开关包括n层金属场板结构和m层第三场板结构，若第i层第三场板结构与第j层金属场板结构设置于同一层，n和m均为正整数，i为小于或等于m的正整数，j为小于或等于n的正整数，该在该势垒层上形成至少一层金属场板结构和至少一层第三场板结构，包括：在该势垒层上形成第一金属层；图形化该第一金属层，以形成该第i层第三场板结构和该第j层金属场板结构。

26、基于上述方案，由于第三场板结构和金属场板结构设置于同一层，可以基于一张掩膜实现设置于同层的场板的制备，降低了双向开关的制备复杂度。此外，同层结构还可以进一步压缩空间，使得双向开关可以具有更高的集成度。

27、结合第二方面，在第二方面的某些实现方式中，该双向开关包括n层金属场板结构和m层第三场板结构，若第p层第三场板结构与第q层金属场板结构设置于不同层，n和m均为正整数，p为小于或等于m的正整数，q为小于或等于n的正整数，该在该势垒层上形成至少一层金属场板结构和至少一层第三场板结构，包括：在该势垒层上形成第二金属层；图形化该第二金属层，以形成该第p层第三场板结构；在该第p层第三场板结构上形成第三金属层；图形化该第三金属层，以形成该第q层金属场板结构。

28、基于第二方面的两种实现方式，提供了对于金属场板结构和第三场板结构更灵活的制备方法。

29、需要说明的是，对于第二方面以及对应的实现方式的有益效果还可以参考第一方面以及对应的实现方式的相关描述，本技术在此不作赘述。

30、第三方面，提供了一种电子器件，包括驱动电路、滤波电路、控制电路、电源转换电路和至少一个如第一方面的任一种可能的实现方式中的双向开关。

31、示例性的，该电子器件可以为逆变器(如光伏微型逆变器)及其储能系统、交流-交流电机驱动和/或矩阵变换器中的至少一种。