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申请/专利权人：英飞凌科技奥地利有限公司

摘要：本发明涉及用于衬底电位稳定化的具有无源电网络的双向开关。一种器件包括半导体本体，该半导体本体具有有源区和在有源区下方的衬底区。双向开关形成在半导体本体中，该双向开关具有被配置成阻断跨两个极性的电压的第一和第二栅极结构以及与导电沟道欧姆接触的第一和第二输入‑输出端子。第一和第二开关器件被配置成将衬底区分别电连接到所述第一和第二输入‑输出端子。无源电网络包括连接在第二开关器件的控制端子和第一输入‑输出端子之间的第一电容和连接在第一开关器件的控制端子和第二输入‑输出端子之间的第二电容。无源电网络被配置成在不同的电压状况下将衬底区暂时电连接到第一和第二输入‑输出端子。

主权项：1.一种半导体器件，其包括：半导体本体，该半导体本体包括有源区和设置在所述有源区下方的衬底区，双向开关，该双向开关形成在所述半导体本体中并且包括：第一栅极结构和第二栅极结构，所述第一栅极结构和所述第二栅极结构每个都被配置成控制设置在所述有源区中的导电沟道的导通状态；以及第一输入-输出端子和第二输入-输出端子，所述第一输入-输出端子和所述第二输入-输出端子每个都与所述导电沟道欧姆接触；第一开关器件，所述第一开关器件被配置成将所述衬底区电连接到所述第一输入-输出端子；第二开关器件，所述第二开关器件被配置成将所述衬底区电连接到所述第二输入-输出端子；无源电网络，所述无源电网络包括第一电容和第二电容，所述第一电容连接在所述第二开关器件的控制端子和所述第一输入-输出端子之间，所述第二电容连接在所述第一开关器件的控制端子和所述第二输入-输出端子之间；其中，所述第一开关器件和所述第二开关器件是流控开关，其中所述第一电容被配置成，在所述双向开关的第一电压极性下，在所述双向开关从阻断状态转变到导通状态期间，将暂时的电流供给给所述第二开关器件的所述控制端子，以及其中所述第二电容被配置成，在所述双向开关的第二电压极性下，在所述双向开关从阻断状态转变到导通状态期间，将暂时的电流供给给所述第一开关器件的所述控制端子，所述第二电压极性与所述第一电压极性相反。

全文数据：用于衬底电位稳定化的具有无源电网络的双向开关技术领域本申请大体上涉及半导体器件，并且更特别地涉及双向高电子迁移率晶体管。背景技术在各种各样的应用中使用半导体晶体管，特别是场效应控制开关器件、诸如MISFET（金属绝缘体半导体场效应晶体管）（在下文中也被称为MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管））和HEMT（高电子迁移率场效应晶体管）（也被称为异质结构FET（HFET）和调制掺杂FET（MODFET））。HEMT是在具有不同带隙的两种材料（诸如GaN和AlGaN）之间具有结的晶体管。HEMT被视为用于功率晶体管应用、即要求切换相当大的电压和或电流的应用的有吸引力的候选者。较之传统的硅基器件，HEMT呈现出高导通和低电阻损耗。HEMT通常由III族-V族半导体材料形成，诸如由GaN、GaAs、InGaN、AlGaN等形成。在GaNAlGaN基HEMT中，在AlGaN势垒层和GaN缓冲层之间的界面处出现二维电子气（2DEG）。2DEG形成器件的沟道，而不是在传统的MOSFET器件中形成沟道的掺杂区。相似的原理可用于选择形成二维空穴气（2DHG）作为器件的沟道的缓冲层和势垒层。2DEG或2DHG一般被称为二维载流子气。在没有另外措施的情况下，异质结配置导致自导通、即常通（normally-on）晶体管。常断（normally-off）结构也是可能的。在这些情况下，必须采取措施来防止HEMT的沟道区在不存在正栅极电压的情况下处于导通状态。III族-V族型半导体技术的一个应用是双向开关。双向开关是能够切换正极性或负极性的电压的器件。就是说，双向开关被配置成控制在两个方向上的电流流动。通过在与二维载流子气接触的两个导电端子之间串联地提供两个HEMT栅极结构，能够实现双栅极III族-V族型半导体双向开关。这两个HEMT可以共享器件的同一漂移区（电阻性电压维持部分），这意味着接通状态电阻可以是传统的背对背器件的近似一半。与双向开关相关联的一个问题涉及在器件沟道和底层半导体衬底之间的电容耦合。在传统的单向半导体开关器件中，底层半导体衬底典型地通过衬底接触被约束（tie）到器件的参考电位端子（例如，源极端子）。通过将衬底约束到固定电位，在浮置衬底和沟道之间的电容耦合问题被消除，并且因而提高了器件操作的可靠性和稳定性。在双向开关的情况下使用简单的电接触不能获得相同的益处，这是因为：没有在所有操作状态下都保持在参考电位的单个端子，器件两端的电压极性改变。对这个问题的已知解决方案受困于各种缺陷。发明内容公开了一种半导体器件。根据实施例，该半导体器件包括半导体本体，该半导体本体具有有源区和设置在有源区下方的衬底区。双向开关形成在半导体本体中，并且被配置成阻断跨（across）两个极性的电压。双向开关包括：第一和第二栅极结构，所述第一和第二栅极结构每个都被配置成控制设置在上部的有源区中的导电沟道的导通状态；以及第一和第二输入-输出端子，所述第一和第二输入-输出端子每个都与导电沟道欧姆接触。第一开关器件被配置成将衬底区电连接到第一输入-输出端子。第二开关器件被配置成将衬底区电连接到第二输入-输出端子。无源电网络包括第一电容和第二电容。第一电容连接在第二开关器件的控制端子和第一输入-输出端子之间。第二电容连接在第一开关器件的控制端子和第二输入-输出端子之间。无源电网络被配置成：当第二输入-输出端子处于高于第一输入-输出端子的电位时，通过接通第二开关器件而将衬底区暂时电连接到第二输入-输出端子。无源电网络被配置成：当第一输入-输出端子处于高于第二输入-输出端子的电位时，通过接通第一开关器件而将衬底区暂时电连接到第一输入-输出端子。根据另一实施例，该半导体器件包括半导体本体，该半导体本体具有有源区和设置在该有源区下方的衬底区。双向开关形成在半导体本体中，并且被配置成阻断跨两个极性的电压。双向开关包括：第一和第二栅极结构，所述第一和第二栅极结构每个都被配置成控制设置在上部的有源区中的导电沟道的导通状态；以及第一和第二输入-输出端子，所述第一和第二输入-输出端子每个都与导电沟道欧姆接触。第一开关器件被配置成在接通时将衬底区电连接到第一输入-输出端子。第二开关器件被配置成在接通时将衬底区电连接到第二输入-输出端子。无源电网络被配置成：在双向开关的第一转变状态期间，生成使第二开关器件接通的第一衬底参考信号；以及在双向开关的第二转变状态期间，生成使第一开关器件接通的第二衬底参考信号。第一转变状态是当第二输入-输出端子处于高于第一输入-输出端子的电位并且双向开关接通时的状态，第二转变状态是当第一输入-输出端子处于高于第二输入-输出端子的电位并且双向开关接通时的状态。公开了一种操作双向开关的方法。该双向开关被配置成阻断跨两个极性的电压。该双向开关包括：半导体本体，该半导体本体具有有源区和设置在该有源区下方的衬底区；第一和第二栅极结构，所述第一和第二栅极结构每个都被配置成控制设置在上部的有源区中的导电沟道的导通状态；以及第一和第二输入-输出端子，所述第一和第二输入-输出端子每个都与导电沟道欧姆接触。根据该方法的实施例，第二开关器件用于在双向开关的第一转变状态期间将衬底区暂时电连接到第二输入-输出端子。双向开关的第一转变状态是当第二输入-输出端子处于高于第一输入-输出端子的电位并且双向开关从关断转变到接通时的状态。第一开关器件用于在双向开关的第二转变状态期间将衬底区暂时电连接到第一输入-输出端子。双向开关的第二转变状态是当第一输入-输出端子处于高于第二输入-输出端子的电位并且双向开关从关断转变到接通时的状态。使用第一开关器件和使用第二开关器件包括使用如下无源电网络来接通第一和第二开关器件：所述无源电网络根据双向开关的转变生成电流脉冲。附图说明附图中的元件并不一定相对于彼此依比例绘制。相同的附图标记指明相对应的相似部分。除非彼此排斥，否则所图示的各种实施例的特征可以组合。实施例在附图中被描绘并且在随后的描述中被详细说明。图1根据实施例图示了双向开关，该双向开关具有连接在该双向开关的输入-输出端子和该双向开关的衬底区之间的二极管网络。包括图2A和图2B的图2根据实施例图示了双向开关在两个不同的操作状态下的等效电路示意图。图2A描绘了处于关断状态的双向开关。图2B描绘了处于接通状态的双向开关。图3根据实施例图示了双向开关，该双向开关具有连接在该双向开关的输入-输出端子和该双向开关的衬底区之间的衬底电压调节电路。图4根据实施例图示了如下双向开关的等效电路示意图：该双向开关具有连接在该双向开关的输入-输出端子和该双向开关的衬底区之间的衬底电压调节电路。图5根据实施例图示了在双向开关的稳定关断状态期间出现在双向开关和衬底电压调节电路上的各种电压。图6根据实施例图示了在双向开关从关断到接通的转变状态期间出现在双向开关和衬底电压调节电路上的各种电压。图7根据实施例图示了在双向开关的稳定接通状态期间出现在双向开关和衬底电压调节电路上的各种电压。图8根据实施例图示了在双向开关从关断到接通的转变状态期间出现在双向开关和衬底电压调节电路上的各种电压。具体实施方式根据本发明中所描述的实施例，公开了一种双向开关，该双向开关具有连接在该双向开关的输入-输出端子和该双向开关的衬底区之间的衬底电压调节电路。该双向开关包括开关器件（例如，晶体管），所述开关器件被配置成，根据双向开关的操作状态，将双向开关的输入-输出端子连接到衬底区。如果双向开关操作于第一电压极性，其中第二输入-输出端子处于高于第一输入-输出端子的电位并且双向开关从关断转变到接通，则第一开关器件将衬底区电连接到第二输入-输出端子。如果双向开关操作于第二电压极性，其中第一输入-输出端子处于高于第二输入-输出端子的电位并且双向开关从关断转变到接通，则第二开关器件将衬底区电连接到第一输入-输出端子。有利地，双向开关包括无源电网络，所述无源电网络能够在没有任何独立的偏置或控制信号的情况下提供接通和关断第一和第二开关器件所需的控制信令。就是说，在无源电网络利用施加在双向开关的输入-输出端子两端的相同的电压来生成用于第一和第二开关器件的控制信令的意义上，无源电网络是自偏置的。在一个特别的示例中，无源电网络包括与电流驱动开关的控制端子串联连接的电容器。双向开关从关断到接通的转变导致跨电容器网络的电荷的暂时重新分布，这使得电流脉冲出现在适当的开关器件的控制端子处。有利地，这个解决方案可以集成到单个集成电路中。例如，GaN基双向开关可以与GaN基电流驱动开关器件和整体形成的电容组合，以提供完整的电路。较之利用分立部件和外部偏置信号来提供相似功能的技术，这提供了更简单的和更有成本效益的解决方案。参照图1，根据实施例描绘了双向开关100。双向开关100形成在半导体本体102中。一般而言，半导体本体102区域可以包括多种多样的半导体材料，这些半导体材料包括诸如硅（Si）的IV族半导体材料、诸如碳化硅（SiC）或硅锗（SiGe）的IV族化合物半导体材料、诸如氮化镓（GaN）、氮化铝镓（AlGaN）、氮化铟镓（InGaN）、砷化镓（GaAs）、砷化铝镓（AlGaAs）的III族-V族半导体材料、以及诸如蓝宝石的隔离材料等。半导体本体102的顶部包括上部的有源区104。上部的有源区104指的是半导体本体102的提供导电沟道的层或区域。例如，在所描绘的实施例中，上部的有源区104包括第一和第二III族-V族型半导体层106、108。第二III族-V族型半导体层108由带隙不同于第一III族-V族型半导体层106的半导体材料形成。例如，第一III族-V族型半导体层106可以包括本征的或轻掺杂的氮化镓（GaN），而第二III族-V族型半导体层108包括氮化铝镓（AlGaN）。更一般地，具有不同金属含量的III族-V族型半导体材料的任何组合可用于提供带隙差异。由于第一和第二III族-V族型半导体层106、108之间的带隙差异，因极化效应而在第一III族-V族型半导体层106和第二III族-V族型半导体层108之间的界面附近出现导电的二维电荷载流子气沟道110。替选地，不用III族-V族型半导体材料，上部的有源区104而是可以包括IV族半导体材料，诸如硅（Si）、碳化硅（SiC）、硅锗（SiGe）等。这些材料可被掺杂，以形成有源器件区，例如形成源极、漏极、集电极、发射极等，这些有源器件区通过已知方式提供可控导电沟道。半导体本体102的下部112包括半导体本体102的如下各种区域：所述区域在电气意义上对提供导电沟道110没有直接贡献。在所描绘的实施例中，半导体本体102的下部112包括衬底区114、成核层116和晶格转变区117。衬底区114可以包括IV族或III族-V族半导体材料，或可以由IV族或III族-V族半导体材料形成。例如，根据一个实施例，衬底区114可以由硅或硅基晶片提供。成核层116和晶格转变区117被提供在衬底区114上，以使得能够在其上形成相对没有应变和缺陷（relativelystrainanddefectfree）的IV族半导体材料，其中该成核层116可以包括金属氮化物（例如AlN）并且该晶格转变区117可以包括具有逐渐减少的金属含量的多个半导体氮化物（例如AlGaN）层。更一般地，衬底区114可以包括衬底的位于有源器件区下方的任何本征或成块部分，并且比在衬底区114和上部的有源区104之间的居间区是更为导电的。双向开关此外还包括形成在半导体本体102上的第一和第二栅极结构118、120。第一和第二栅极结构118、120每个都包括半导体本体102的导电栅电极122。根据一个实施例，居间区124（例如，通过掺杂）被配置成在栅极结构中提供集成二极管。在III族-V族型半导体器件的情况下，第一和第二栅极结构118、120可被配置成更改半导体本体102中的二维电荷载流子气沟道110的本征导通状态。双向开关100此外还包括与沟道110欧姆接触的第一和第二输入-输出端子122、124。欧姆连接可以由在半导体本体102中形成的导电接触结构126来提供。这些接触结构126可以由诸如钨或铝的导电金属形成，或者替选地可以由高掺杂单晶或多晶半导体形成。双向开关100如下操作。在第二输入-输出端子124处于高于第一输入-输出端子122的电压的第一电压极性下，电压阻断主要由第一栅极结构118处置。就是说，施加到第一栅极结构118的“关断”信号（例如，相对于第一输入-输出端子122的0V）将破坏沟道110，并且使器件处于阻断模式。通过将“接通”信号（例如，相对于第一输入-输出端子122的正电压）施加到第一栅极结构118（这将沟道110置于导通状态），双向开关100变得导通。在第一输入-输出端子122处于高于第二输入-输出端子124的电压的第二电压极性下，相反的情况适用。就是说，电压阻断主要由第二栅极结构120处置。这样，双向开关100可以阻断或准许电流在第一和第二输入-输出端子122、124之间的任一方向上流动。双向开关100可以在任一电压极性下具有对称的电压阻断能力。替选地，双向开关100可以被配置成在两个电压极性中的一个电压极性下具有较大的电压阻断能力。除了其他方面，这可以通过调整在第一和第二栅极结构118、120与第一和第二输入-输出端子122、124之间的距离来实现。与集成到单个衬底中的双向开关100（如图1的器件中的情况那样）相关联的一个问题是所谓的“公共衬底”问题。在不存在任何另外措施的情况下，有在第一和第二输入-输出端子122、124与衬底区114之间发生的寄生电容耦合。在该图中，第一衬底电容128表示在第一输入-输出端子122和衬底区114之间的寄生电容，而第二衬底电容130表示在第二输入-输出端子124和衬底区114之间的寄生电容。如果衬底区114没有被约束到固定电位，则这些寄生电容两端的电压可在器件操作期间变化，这可能使沟道退化并且影响在双向开关100的操作期间的开关特性。在传统的单向器件中，该问题典型地通过将器件衬底约束到与参考电位端子（例如，源极端子）相同的电位并且因此使寄生衬底电容分流来解决。然而，因为没有专用的参考电位端子，所以这个解决方案在双向器件中不可用。就是说，第一输入-输出端子122在一个电压极性下充当参考电位，并且第二输入-输出端子124在相反的电压极性下充当参考电位。图1中所描绘的半导体器件此外还包括第一和第二二极管132、134的网络，所述第一和第二二极管132、134代表针对所谓的“公共衬底”问题的一个已知解决方案。第一和第二二极管132、134在图1中被示意性表示。原理上，这些二极管可以整体地形成在半导体本体102中，并且使用已知的互连技术以所描绘的方式被电连接。替选地，可以使用与双向开关100分离的分立器件来提供这些二极管。第一二极管132的阳极连接到衬底区114，并且第一二极管132的阴极连接到第一输入-输出端子122。第二二极管134的阳极连接到衬底区114，并且第二二极管134的阴极连接到第二输入-输出端子124。参照图2，描绘了在双向开关100的不同操作模式期间的双向开关100和第一和第二二极管132、134的网络的等效示意图。图2A描绘了当双向开关100处于关断状态并且第二输入-输出端子124处于高于第一输入-输出端子122的电位时的等效示意图。出于讨论的示例性目的，将使用为200V的电压差136。图2B描绘了当双向开关100在图2A的操作状态之后转变到接通状态时的等效示意图。参照图2A，因为双向开关100关断，所以第一和第二输入-输出端子122、124之间的连接表现为电开路。因此，在第一和第二输入-输出端子122、124之间的电压差136被施加到分压器网络，该分压器网络包括第一和第二衬底电容128、130以及第一和第二二极管132、134。在这个电压极性下，第一二极管132处于正向导通模式。第一衬底电容128两端的电压138对应于第一二极管132的正向阈值电压，并且因此非常小（例如，约1V）。第二衬底电容130两端的电压140对应于在第一和第二输入-输出端子122、124之间的剩余的电压差，并且因此非常大（例如，约199V）。换言之，第一和第二二极管132、134以一种方式来布置：所述方式实质上将第一输入-输出端子122约束到衬底电位，并且在第二输入-输出端子124和衬底区114之间保持施加的整个电压差136。该状况是所期望的，因为其有效地模仿了单向器件中的衬底接触（减去一个二极管的正向电压）的效果。参照图2B，因为双向开关100接通，所以提供了在第一和第二输入-输出端子122、124之间的导通连接。因此，在第一和第二输入-输出端子122、124之间的电压差136改变到0V。而且，这个连接重新配置包括第一和第二衬底电容128、130以及第一和第二二极管132、134的分压器网络。现在，该电路包括并联连接的第一和第二衬底电容128、130以及第一和第二二极管132、134。在该电路转变到这个状态那一刻，在第一和第二衬底电容128、130中存储的电荷遍及该电路地重新分布，直到达到平衡条件为止。然而，由于第一和第二二极管132、134的存在，阻断在第一和第二衬底电容128、130中存储的电荷通过第一和第二输入-输出端子122、124放电。而是，电荷重新分布，直到在第一和第二衬底电容128、130之间达到平衡状态为止。结果，第一衬底电容128两端的电压138对应于先前的电压差136的大致一半（例如，约99V），并且第二衬底电容130两端的电压140对应于先前的电压差136的大致一半（例如，约99V）。因此，尽管图1中所描绘的第一和第二二极管132、134的网络提供了在双向开关100的关断状态下的期望的衬底分流特性，但是从关断到接通的转变创建了不期望的状况，在所述不期望的状况下，先前施加的电压在包括第一和第二衬底电容128、130的分压器两端被共享，并且直至器件再次关断，对于电荷不存在耗散的路径。参照图3和4，根据另一实施例描绘了一种半导体器件。该半导体器件包括如参照图1所描述的在半导体本体102中形成的双向开关100。不同于图1的实施例，第一和第二二极管132、134可以用衬底电压控制电路300替换，或者额外添加有衬底电压控制电路300。图3图示了具有被示意性描绘的衬底电压控制电路300的双向开关100的衬底配置。图4图示了包括双向开关100和衬底电压控制电路300的电路的完整电路示意图。衬底电压控制电路300包括第一和第二开关器件302、304。第一开关器件302连接在衬底区114和第一输入-输出端子122之间。因此，通过接通第一开关器件302，在衬底区114和第一输入-输出端子122之间提供导电连接。同样地，第二开关器件304连接在衬底区114和第二输入-输出端子124之间。因此，通过接通第二开关器件304，在衬底区114和第二输入-输出端子124之间提供导电连接。第一和第二开关器件302、304可以是多种多样的电子开关器件中的任何电子开关器件，所述多种多样的电子开关器件被配置成响应于控制信号来完成或去除电连接。示例性开关器件包括金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）、绝缘栅双极型晶体管（IGBT）、双极结型晶体管（BJT）、结型场效应晶体管（JFET）、高电子迁移率晶体管（HEMT）等。第一和第二开关器件302、304可以通过多种多样的半导体技术形成，所述半导体技术包括例如硅（Si）、碳化硅（SiC）、硅锗（SiGe）等的IV族型半导体技术以及例如氮化镓（GaN）、砷化镓（GaAs）等的III族-V族型半导体技术。第一和第二开关器件302、304可以是压控开关器件。就是说，通过在器件的控制端子（例如，栅极）和参考端子（例如，源极）之间施加电压差136，第一和第二开关器件302、304可以提供导电连接。替选地，第一和第二开关器件302、304可以是流控（currentcontrolled）开关器件。就是说，通过将电流注入到器件的控制端子来实现导电连接。如可以看到的那样，第一和第二开关器件302、304中的每个都可以包括反向导通二极管306，该反向导通二极管306反并联连接到开关器件的导通路径。这个反向导通二极管306可以是开关器件302和304的结构所固有的。例如，在典型的硅基MOSFET器件的情况下，本征出现在本体和源极区之间的p-n结处的体二极管可以提供这个反向导通二极管306。替选地，反向导通二极管306可以单独地被并入到器件中。根据实施例，第一和第二开关器件302、304集成到与双向开关100相同的半导体本体102中。就是说，第一和第二开关器件302、304和双向开关100形成单个集成电路。根据所采用的技术，第一和第二开关器件302、304可以直接提供在上部的有源区104下方。替选地，第一和第二开关器件302、304可以形成在半导体本体102的与双向开关100横向相邻的区域（未示出）中。在一个特别的实施例中，双向开关100是III族-V族型半导体器件（如该图中所示出的那样），并且第一和第二开关器件302、304也是并入到同一半导体本体102中的III族-V族型半导体器件。例如，第一和第二开关器件302、304可以是并入到与GaN基双向开关100相同的衬底中的GaN基HEMT器件。在一个更特别的实施例中，第一和第二开关器件302、304被配置成流控开关。这个配置可以通过将第一和第二开关器件302、304的栅极结构配置成将电流注入到器件的沟道中来实现。替选地，第一和第二开关器件302、304可以由与半导体本体102分离的分立部件来提供。衬底电压控制电路300此外还包括（标识在图4中的）无源电网络301，该无源电网络301连接到第一和第二开关器件302、304的控制端子、衬底区114以及第一和第二输入-输出端子122、124。一般来说，无源电网络301可以包括多种多样的无源电部件中的任何无源电部件，所述无源电部件诸如电阻器、电容器、电感器等。如本发明中所使用的那样，无源电部件指的是提供不受独立的信号控制的已知IV响应的任何电部件。无源电网络301包括第一电容308和第二电容310，该第一电容308连接在第二开关器件304的控制端子和第一输入-输出端子122之间，该第二电容310连接在第一开关器件302的控制端子和第二输入-输出端子124之间。可以使用各种各样不同的技术和结构来提供第一和第二电容308、310。例如，第一和第二电容308、310可以由平行板电容器结构来提供，该平行板电容器结构就其本身而论被具体设计。作为另一示例，第一和第二电容308、310可以根据各种各样的不同结构的寄生电容来提供，所述不同结构例如是导线连接、晶体管器件等的不必被排他地设计，以提供电容器的特性。在任一情况下，这些结构可以在不同区域中（未示出）被集成到与双向开关100相同的半导体本体102中，并且使用已知的互连技术电连接。替选地，第一和第二电容308、310可以由在半导体本体102外部的分立器件提供。无源电网络301此外还可以包括连接在衬底区114和第一开关器件302的控制端子之间的第一限压元件312。第一限压元件312被配置成将施加到第一开关器件302的输入电压限制到第一开关器件302的最大额定输入电压以下。该最大额定输入电压对应于第一开关器件302能够在不失效的情况下接纳的值。第一限压元件312阻断在最大额定输入电压以下的任何电压，并且一旦达到最大额定输入电压，该第一限压元件312就开始导通。根据实施例，第一限压元件312是齐纳二极管，其中反向导通齐纳电压对应于第一开关器件302的最大额定输入电压。更一般地，第一限压元件312可以是提供相似功能的任何种类的限压器件（例如，肖特基二极管、PIN二极管、MOV等）。无源电网络301此外还包括连接在衬底区114和第二开关器件304的输入之间的第二限压元件314。第二限压元件314被配置成以与先前参照第一限压元件312所描述的方式相似的方式将施加到第二开关器件304的控制端子的电压限制到第二开关器件302的最大额定输入电压以下。相似地，第二限压元件314可以是齐纳二极管，其中反向导通齐纳电压对应于第二开关器件304的最大额定输入电压。替选地，第二限压元件314可以是提供相似功能的任何种类的限压器件（例如，肖特基二极管、PIN二极管、MOV等）。有利地，衬底电压控制电路300的无源电网络301被配置成以这样的方式来操作第一和第二开关器件302、304：所述方式减轻如参照图2B所描述的陷阱电荷状况。而且，无源电网络301被配置成，在没有任何外部或独立信令的情况下，生成接通和关断第一和第二开关器件302、304所需的控制信令。该控制信令而是得自施加在第一和第二输入-输出端子122、124两端的电压。在双向开关100的第一转变状态（即参照图1所描述的状况）下，无源电网络301生成第一衬底参考信号，该第一衬底参考信号至少暂时地接通第二开关器件304，其中在该第一转变状态，第二输入-输出端子124处于高于第一输入-输出端子122的电位并且双向开关100从关断转变为接通。结果，对于在第一和第二衬底电容128、130中存储的电荷存在短路路径，以进行耗散。在双向开关100的第二转变状态下，无源电网络301生成第二衬底参考信号，该第二衬底参考信号至少暂时地接通第一开关器件302，其中在该第二转变状态，第一输入-输出端子122处于高于第二输入-输出端子124的电位并且双向开关100从关断转变为接通。再次地，这创建了允许在第一和第二衬底电容128、130中存储的电荷耗散的短路路径。现在将参照图5至图8讨论无源电网络301如何在第一转变状态期间生成第一衬底参考信号的工作示例。这些图中的每幅图都包含如下电路的完整电路示意图：所述电路包括双向开关100和衬底电压控制电路300。参照图5，第一栅极结构118关断，并且第二栅极结构接通或关断。结果，双向开关100处于关断状态，并且可以保持在第一和第二输入-输出端子122、124两端的电压差。在这个示例中，电压差被施加到输入-输出端子，使得第二输入-输出端子124处于高于第一输入-输出端子122的电位。出于讨论的示例性目的，将使用为400V的电压差。这个400V被施加在由第一和第二衬底电容128、130以及衬底电压控制电路300形成的分压器网络两端。在第一开关器件302的栅极和参考端子两端的电压略低于第一开关器件302的栅极二极管的阈值电压。因此，第一开关器件302关断。因为第一开关器件302具有在该偏置极性下正向导通的反向导通二极管306，所以在第一衬底电容128两端的电压对应于第一开关器件302的反向导通二极管306的正向导通电压（即正向阈值电压）。作为示例，这个电压是1V。剩余的399V被施加在第二衬底电容130两端。此外，这个电压被施加在第二电容310和第二开关器件304两端，所述第二电容310和第二开关器件304与第二衬底电容130并联。换言之，衬底电压控制电路300产生了与参照图2A所描述的状况相似的分压器状况。参照图6，双向开关100在处于参照图5所描述的先前偏置状况之后从关断转变为接通。通过施加使第一和第二栅极结构118、120接通所需的信号来进行该转变。因此，在第一和第二输入-输出端子122、124之间形成低电阻连接，并且在第一和第二输入-输出端子122、124两端的电压从400V下降到近似0V。一旦这发生，在第一衬底电容128和第二电容310中存储的电荷就经由沟道110遍及该电路地重新分布。特别地，电荷的这种重新分布使得第一电容308被充电。这个第一电容308的充电导致暂时的电流出现在第二开关器件304的控制端子处。因为第二开关器件304是流控开关，所以这个电流足以将第二开关器件304暂时置于接通状态。一旦第二开关器件304接通，该第二开关器件304就为在第一和第二衬底电容128、130以及反向导通二极管306中的其他相关联的电容和第二电容310中存储的电荷提供短路路径，以经由第一和第二输入-输出端子122、124耗散。因此，不同于参照图2B所描述的其中在第一和第二衬底电容128、130两端存储的电荷被第一和第二二极管132、134阻断的情形，第二开关器件304为这些电荷提供了替选路径，以进行放电。参照图7，描绘了双向开关100的稳定接通状态。在双向开关100的稳定接通状态下，第一开关器件302的控制端子电压实际上处于零伏特，并且第二开关器件304的控制端子低于其阈值电压。因为第二开关器件304由第一电容308所提供的暂时的电流控制，所以在双向开关100从关断转变为接通的同时，第二开关器件304曾仅暂时处于接通状态。一旦第一电容308不再充电，在第二开关器件304的控制端子处的电流就将减弱，并且第二开关器件304就将自动关断。第二开关器件304的暂时的接通状态状况可能不一定使在第一和第二衬底电容128、130中存储的所有电荷放电。在一些情况下，在双向开关100正操作于稳定接通状态的同时，在第一和第二衬底电容128、130两端可能剩余最小电压（例如，15V或更小）。然而，这些电压低到足以有效地消除参照图2B所描述的充满电的分压器状况的问题。而且，通过更改衬底电压控制电路300的器件参数，诸如更改第一电容308的电容、第二开关器件304的接通电阻、第二开关器件304的接通特性等，可以调谐在第二开关器件304关断之后在第一和第二衬底电容128、130上存储的剩余电荷量（并且因而电压）。参照图8，通过关断第一栅极结构118，双向开关100从接通状态转变为关断状态。器件的沟道110现在不导通。在从接通状态到关断状态的转变时段期间，施加到第一和第二输入-输出端子122、124的电压的大部分现在分布在第二衬底电容130、第二电容310和第二开关器件304两端。尽管给与第一开关器件302的控制端子串联的第二电容310充电暂时接通了第一开关器件302并且因此暂时使第一衬底电容128短路，但是一旦暂时的充电电流减弱并且第一开关器件302关断，这个状态就将快速地转变到稳定关断状态。结果，电压分布将最终回复到参照图5所描述的状态。通过使用衬底电压控制电路300的配对的部件，以相对应的方式，在第二转变状态期间生成先前所描述的第二衬底参考信号，该第二转变状态即其中：第一输入-输出端子122处于高于第二输入-输出端子124的电位，并且双向开关100从关断转变为接通。总而言之，在第二转变状态下，第一和第二输入-输出端子122、124之间的电压差的大部分（使用上文所描述的示例性值为399V）在最初被置于第一衬底电容130两端。以与先前所描述的方式相似的方式，电荷的这种重新分布导致在第一开关器件302的控制端子处的暂时的电流，以减轻阻断分压器状况。术语HEMT通常也被称为HFET（异质结构场效应晶体管）、MODFET（调制掺杂FET）和MESFET（金属半导体场效应晶体管）。术语HEMT、HFET、MESFET和MODFET在本发明中可互换地使用，以指代并入具有不同带隙的两种材料之间的结（即异质结）作为沟道的任何基于III族氮化物的化合物半导体晶体管。例如，GaN可以与AlGaN或InGaN组合，以形成电子气逆转区作为沟道。化合物半导体器件可以具有AlInNAlNGaN势垒层间隔层（spacerlayer）缓冲层结构。一般而言，可以使用准许由于压电效应形成相反极性逆转区的诸如GaN的任何适当的III族氮化物技术来实现常断化合物半导体晶体管。具体地对于GaN技术，由于压电效应而在GaN基异质结构体中存在极化电荷和应变效应产生了异质结构体中的二维电荷载流子气，其特征在于非常高的载流子密度和载流子迁移率。这样的二维电荷载流子气（诸如2DEG（二维电子气）或2DHG（二维空穴气））在例如GaN合金势垒区和GaN缓冲区之间的界面附近形成HEMT的导通沟道。可以在GaN缓冲区和GaN合金势垒区之间提供例如1-2nm的薄的AlN层，以使合金散射最小化并且提高2DEG迁移率。广义上讲，本发明中所描述的化合物半导体晶体管可以由其中压电效应对器件概念负有责任的任何二元、三元或四元的III族氮化物化合物半导体材料形成。诸如“下面”、“以下”、“下”、“上方”、“上部”、“上面”、“下方”等的在空间上相对的术语为了方便描述而使用，以解释一个元件相对于第二元件的定位。这些术语旨在涵盖器件的除了不同于在图中所描绘的取向以外的取向。此外，诸如“第一”、“第二”等的术语也用于描述各种元件、区、区段等，并且也并非旨在作为限制。本描述通篇中相同的术语指代相同的元件。如在本发明中所使用的那样，术语“具有”、“含有”、“包含”、“包括”等是开放性的术语，这些术语表明所陈述的元件或特征的存在，而并不排除额外的元件或特征。除非上下文清楚地另有所指，否则冠词“一”、“一个”和“该”旨在包括复数以及单数形式。如在本发明中所使用的诸如“相同”、“匹配”和“相配”的术语旨在意指同样的、几乎同样的或者近似，使得在不偏离本发明的精神的情况下设想某种合理的变化量。术语“恒定”意指没有改变或变化，或者改变或变化微小，使得在不偏离本发明的精神的情况下设想某种合理的变化量。此外，诸如“第一”、“第二”等的术语用于描述各种元件、区、区段等，并且也并非旨在作为限制。本描述通篇中相同的术语指代相同的元件。要理解的是，除非特别注明，否则在本发明中所描述的各种实施例的特征可以彼此组合。尽管在本发明已图示和描述了具体实施例，但是本领域普通技术人员将领会到，在不偏离本发明的范围的情况下，各种各样的替选和或等效实现方案可以替代所示出的和所描述的具体实施例。本申请旨在覆盖在本发明中讨论的具体实施例的任何适配或变型。因此，意图是，本发明仅由权利要求书及其等同物来限制。

权利要求：1.一种半导体器件，其包括：半导体本体，该半导体本体包括有源区和设置在所述有源区下方的衬底区，双向开关，该双向开关形成在所述半导体本体中并且被配置成阻断跨两个极性的电压，所述双向开关包括：第一栅极结构和第二栅极结构，所述第一栅极结构和所述第二栅极结构每个都被配置成控制设置在上部的所述有源区中的导电沟道的导通状态；以及第一输入-输出端子和第二输入-输出端子，所述第一输入-输出端子和所述第二输入-输出端子每个都与所述导电沟道欧姆接触；第一开关器件，所述第一开关器件被配置成将所述衬底区电连接到所述第一输入-输出端子；第二开关器件，所述第二开关器件被配置成将所述衬底区电连接到所述第二输入-输出端子；无源电网络，所述无源电网络包括第一电容和第二电容，所述第一电容连接在所述第二开关器件的控制端子和所述第一输入-输出端子之间，所述第二电容连接在所述第一开关器件的控制端子和所述第二输入-输出端子之间；其中所述无源电网络被配置成，当所述第二输入-输出端子处于高于所述第一输入-输出端子的电位时，通过接通所述第二开关器件而将所述衬底区暂时电连接到所述第二输入-输出端子，以及其中所述无源电网络被配置成，当所述第一输入-输出端子处于高于所述第二输入-输出端子的电位时，通过接通所述第一开关器件而将所述衬底区暂时电连接到所述第一输入-输出端子。2.根据权利要求1所述的半导体器件，其中，所述第一开关器件和所述第二开关器件是流控开关；其中所述第一电容被配置成，在所述双向开关的第一电压极性下，在所述双向开关从阻断状态转变到导通状态期间，将暂时的电流供给给所述第二开关器件的所述控制端子；以及其中所述第二电容被配置成，在所述双向开关的第二电压极性下，在所述双向开关从阻断状态转变到导通状态期间，将暂时的电流供给给所述第一开关器件的所述控制端子，所述第二电压极性与所述第一电压极性相反。3.根据权利要求2所述的半导体器件，其中，所述半导体本体包括III族型半导体氮化物，其中所述双向开关是高电子迁移率晶体管，以及其中所述导电沟道是二维电荷载流子气。4.根据权利要求3所述的半导体器件，其中，所述第一开关器件和所述第二开关器件是整体地形成在所述半导体本体中的高电子迁移率晶体管。5.根据权利要求1所述的半导体器件，其中，所述第一电容排他地连接在所述第二开关器件的所述控制端子和所述第一输入-输出端子之间，以及其中所述第二电容排他地连接在所述第一开关器件的所述控制端子和所述第二输入-输出端子之间。6.根据权利要求1所述的半导体器件，其中，所述无源电网络还包括：第一限压元件，所述第一限压元件连接在所述衬底区和所述第一开关器件的输入之间；第二限压元件，所述第二限压元件连接在所述衬底区和所述第二开关器件的输入之间；其中所述第一限压元件被配置成，将施加到所述第一开关器件的所述控制端子的电压限制到所述第一开关器件的最大额定输入电压以下，以及其中所述第二限压元件被配置成，将施加到所述第二开关器件的所述控制端子的电压限制到所述第二开关器件的最大额定输入电压以下。7.根据权利要求1所述的半导体器件，其中，所述第一开关器件和所述第二开关器件集成在所述半导体本体之内。8.根据权利要求7所述的半导体器件，其中，所述无源电网络集成在所述半导体本体之内，并且排他地连接到所述第一输入-输出端子和所述第二输入-输出端子、所述第一开关器件和所述第二开关器件以及所述衬底区。9.一种半导体器件，其包括：半导体本体，所述半导体本体包括有源区和设置在所述有源区下方的衬底区，双向开关，所述双向开关形成在所述半导体本体中并且被配置成阻断跨两个极性的电压，所述双向开关包括：第一栅极结构和第二栅极结构，所述第一栅极结构和所述第二栅极结构每个都被配置成控制设置在上部的所述有源区中的导电沟道的导通状态；以及第一输入-输出端子和第二输入-输出端子，所述第一输入-输出端子和所述第二输入-输出端子每个都与所述导电沟道欧姆接触；第一开关器件，所述第一开关器件被配置成在接通时将所述第一输入-输出端子电连接到所述衬底区；第二开关器件，所述第二开关器件被配置成在接通时将所述第二输入-输出端子电连接到所述衬底区；无源电网络，所述无源电网络被配置成，在所述双向开关的第一转变状态期间，生成使所述第二开关器件接通的第一衬底参考信号，以及在所述双向开关的第二转变状态期间，生成使所述第一开关器件接通的第二衬底参考信号，所述第一转变状态是当所述第二输入-输出端子处于高于所述第一输入-输出端子的电位并且所述双向开关接通时的状态，所述第二转变状态是当所述第一输入-输出端子处于高于所述第二输入-输出端子的电位并且所述双向开关接通时的状态。10.根据权利要求9所述的半导体器件，其中，自偏置无源电网络包括第一电容和第二电容，所述第一电容连接在所述第二开关器件的控制端子和所述第一输入-输出端子之间，所述第二电容连接在所述第一开关器件的控制端子和所述第二输入-输出端子之间，其中所述第一电容被配置成在所述第一转变状态期间提供所述第一衬底参考信号，以及其中所述第二电容被配置成在所述第二转变状态期间提供所述第二衬底参考信号。11.根据权利要求10所述的半导体器件，其中，所述第一开关器件和所述第二开关器件是流控开关；其中所述自偏置无源电网络被配置成，通过根据在所述第一转变状态期间发生的电荷的重新分布在所述第二开关器件的所述控制端子处提供暂时的电流脉冲，生成所述第一衬底参考信号；以及其中所述自偏置无源电网络被配置成，通过根据在所述第二转变状态期间发生的电荷的重新分布而在所述第一开关器件的所述控制端子处提供暂时的电流脉冲，生成所述第二衬底参考信号。12.根据权利要求11所述的半导体器件，其中，所述半导体本体包括III族型半导体氮化物，其中所述双向开关是高电子迁移率晶体管，以及其中所述导电沟道是二维电荷载流子气。13.根据权利要求12所述的半导体器件，其中，所述第一开关器件和所述第二开关器件是整体地形成在所述半导体本体中的高电子迁移率晶体管。14.根据权利要求13所述的半导体器件，其中，所述第一电容排他地连接在所述第二开关器件的所述控制端子和所述第一输入-输出端子之间，以及其中所述第二电容排他地连接在所述第一开关器件的所述控制端子和所述第二输入-输出端子之间。15.一种操作双向开关的方法，所述双向开关被配置成阻断跨两个极性的电压，所述双向开关包括：半导体本体，该半导体本体包括有源区和设置在所述有源区下方的衬底区；第一栅极结构和第二栅极结构，所述第一栅极结构和所述第二栅极结构每个都被配置成控制设置在上部的所述有源区中的导电沟道的导通状态；以及第一输入-输出端子和第二输入-输出端子，所述第一输入-输出端子和所述第二输入-输出端子每个都与所述导电沟道欧姆接触，所述方法包括：使用第二开关器件在所述双向开关的第一转变状态期间将所述衬底区暂时电连接到所述第二输入-输出端子，所述双向开关的所述第一转变状态是当所述第二输入-输出端子处于高于所述第一输入-输出端子的电位并且所述双向开关从关断转变到接通时的状态；使用第一开关器件在所述双向开关的第二转变状态期间将所述衬底区暂时电连接到所述第一输入-输出端子，所述双向开关的第二转变状态是当所述第一输入-输出端子处于高于所述第二输入-输出端子的电位并且所述双向开关从关断转变到接通时的状态；以及其中使用所述第一开关器件和使用所述第二开关器件包括通过使用自偏置无源电网络来接通所述第一开关器件和所述第二开关器件，所述自偏置无源电网络根据所述双向开关的转变生成电流脉冲。16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述自偏置无源电网络包括第一电容和第二电容，所述第一电容连接在所述第二开关器件的控制端子和所述第一输入-输出端子之间，所述第二电容连接在所述第一开关器件的控制端子和所述第二输入-输出端子之间。17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述自偏置无源电网络在所述第一转变状态期间在所述第二开关器件的所述控制端子处提供第一暂时的电流脉冲，以及其中所述自偏置无源电网络在所述第二转变状态期间在所述第一开关器件的所述控制端子处提供第二暂时的电流脉冲。18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述第一电容在所述第一转变状态期间根据在所述双向开关中发生的电荷的重新分布来生成所述第一暂时的电流脉冲，以及其中所述第二电容在所述第二转变状态期间根据在所述双向开关中发生的电荷的重新分布来生成所述第二暂时的电流脉冲。19.根据权利要求15所述的方法，其中，所述双向开关、所述第一开关器件和所述第二开关器件整体地形成在所述半导体本体中，以及其中所述自偏置无源电网络通过使用供给给所述第一输入-输出端子和所述第二输入-输出端子的电压而排他地接通所述第一开关器件和所述第二开关器件。

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