基于极化方向改变的压电半导体断裂失效实验研究方法技术

本发明专利技术公开了基于极化方向改变的压电半导体断裂失效实验研究方法，包括制作极化方向不同的压电半导体标准试样并在压电半导体标准试样上预制裂纹；在机械应力场、电流场、高电压场及其耦合场加载条件下进行压电半导体标准试样的断裂韧性实验；同时将裂纹制作成导电裂纹，在导电裂纹情况下各物理场及其耦合场加载时压电半导体材料的断裂失效特性；在得到大量实验数据情况下，根据实验数据拟合上述各物理场加载环境下压电半导体材料的断裂失效机理并归纳压电半导体材料的断裂失效数理模型，从断裂损伤的角度研究多场条件下压电半导体材料的失效，对提高压电半导体器件的设计质量具有十分重要的科学依据和实用价值。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于压电半导体
，特别涉及一种基于极化方向改变的压电半导体断裂失效实验研究方法。
技术介绍
随着半导体材料和压电材料技术的快速发展，人们发现了一种兼有压电性质的半导体材料即压电半导体，如CdS、CdSe、ZnO、AlN、GaN等。压电半导体具有压电材料和半导体材料双重物理特性，还具有高热导率、高电子饱和、高漂移速度和大临界击穿电压等优点，所以成为研制高频大功率、耐高温、抗辐照半导体微电子器件和电路的理想材料，在航空航天、军事、卫星通信、汽车、石油开采等领域得到了很高的重视，有着广泛的应用前景。在电子器件的使用过程中，半导体器件失效占电子器件失效的一半以上，半导体器件失效通常是因为材料内部的局部应力超过了它们的最大额定值，特别对于目前技术前沿的压电半导体器件，同样存在较大失效率的问题，所以对压电半导体材料的损伤失效性研究尤为重要。对压电半导体材料失效机理的实验研究，可以提高压电半导体器件产品的设计质量，有助于提高电子设备的可靠性，对加快压电半导体器件的研制速度，提高压电半导体器件的成品率和可靠性均具有重要的意义。我国近年来也在加强失效分析和失效机理方面的研究，并建立了一些专业实验室，完善开展可靠性研究的基础和条件。但目前的研究大多是基于失效分析与检测技术、可靠性评价等发面来展开研究，而对于半导体器件的本征材料损伤机理与数理模型方面研究甚少，对于压电半导体材料多场耦合环境下的断裂失效研究更没有相关的实验研究方法。一般而言，压电半导体材料是脆性材料，在制造、极化和使用过程中，可能产生如裂纹、孔洞、夹杂等缺陷；在实际应用过程中，压电半导体器件往往需要承受严酷的环境条件，如机械应力场、热应力场、电压场和电流场等，同时电气应力、化学应力、辐射应力及其他因素都会致使压电半导体器件表现出很强的非线性和大应变，容易在缺陷附近出现力和电载荷的集中，在一定条件下会导致缺陷扩展，最终造成压电半导体器件的断裂失效。特别是压电半导体，本身具备压电性质，在受力或者振动过程中会产生压电电荷，对裂纹或缺陷的扩展产生非常复杂的影响，因此实验研究压电半导体本身极化方向、各应力场以及耦合物理场对压电半导体材料的断裂失效机理，并总结出压电半导体材料的断裂失效数理模型，对压电半导体器件设计具有十分重要的科学意义及实用价值。压电半导体材料耦合了压电材料和半导体材料双重物理性质，研究压电半导体材料断裂失效力学实验问题，需要在机械应力场、电流场、高电压场及其耦合场加载环境下进行；压电半导体具备宽禁带半导体的物理性质，给压电半导体提供超高电压场加载技术和普通的压电介电材料有很大区别，并且要求实验装置具备极高的调节、存储、记录精度，还要考虑系统整体的绝缘性能，因此，对实验加载装置和加载绝缘环境都提出了很高的要求；然而目前还没有针对压电半导体材料这一断裂失效机理的实验研究方法。
技术实现思路
本专利技术目的是为解决上述现有技术中的问题而提出了一种基于极化方向改变的压电半导体在机械应力场、电流场、高电压场及其耦合场加载环境下的断裂损伤和断裂韧性，积累压电半导体材料对于不同物理场环境的敏感程度，从而探索上述物理场对压电半导体材料的损伤机理。本专利技术为解决上述问题所采取的技术方案是：基于极化方向改变的压电半导体断裂失效实验研究方法，包括如下步骤：步骤A：采用切口法使用金刚石刀具在压电半导体试样底面的正中间位置预制一个裂纹而制作成压电半导体标准试样，所述压电半导体标准试样为多个；所述压电半导体标准试样为长L×宽W×高H的长方体且压电半导体标准试样的四条长边均为倒角，倒角为45°±5°，倒角长度为C；所述压电半导体标准试样内的极化方向分为向左方向、向右方向、前后方向或竖直方向四种情况；步骤B：将步骤A中部分压电半导体标准试样放在试验机的三点弯曲夹具上且裂纹朝下，然后在压电半导体标准试样的顶面加载机械应力进行压电半导体标准试样的断裂韧性实验；步骤C：将步骤A中部分压电半导体标准试样的左右端面均镀银层，然后放在试验机的三点弯曲夹具上且裂纹朝下，同时浸没在盛有二甲基硅油的实验盒内，所述三点弯曲夹具采用绝缘材质且具有相应要求的强度和硬度；然后对压电半导体标准试样加载不同的电流值和/或机械应力值，进行在电流场作用时、机械应力场和电流场共同耦合作用时压电半导体标准试样的断裂韧性实验；步骤D：将步骤A中部分压电半导体标准试样的左端面粘贴电绝缘性高的隔层薄膜，所述隔层薄膜采用聚四氟乙烯，在隔层薄膜左端面和压电半导体标准试样的右端面均镀银层，然后放在试验机的三点弯曲夹具上且裂纹朝下，同时浸没在盛满二甲基硅油的实验箱盒内，所述三点弯曲夹具采用绝缘材质且具有相应要求的强度和硬度；然后对压电半导体标准试样加载不同的高电压值和/或机械应力值，进行在高电压场作用时、机械应力场和高电压场共同耦合作用时压电半导体标准试样的断裂韧性实验。进一步，在步骤C和步骤D中所述实验箱盒为顶部开口的长方体盒子，所述长方体盒子的底面为聚四氟乙烯固体绝缘材料，长方体盒子的前面为光学玻璃，长方体盒子的另外三个侧面为有机玻璃。进一步，所述步骤A中，在每个压电半导体标准试样的裂纹内灌注银浆而制作成导电裂纹。进一步，步骤B中，试验机的压头的移动采用位移控制和压力闭环控制相结合的方式，包括如下步骤：步骤B1：当实验机的压头距离压电半导体标准试样顶面1毫米时，采用位移控制使得压头下移速度调为0.1毫米/分钟，同时存储位移加载数据；步骤B2：当实验机的压头接触压电半导体标准试样顶面时，采用压力闭环控制使得压头对压电半导体标准试样的压力加载按照实验控制程序进行，同时存储压力加载数据。进一步，所述步骤C中，进行机械应力场和电流场共同耦合作用时压电半导体标准试样的断裂韧性实验，包括如下步骤：步骤C1：首先使用线性调流电源在压电半导体标准试样的左右两端加载多个电流值，每当加载一个电流值时，在压电半导体标准试样的顶面加载机械应力进行压电半导体标准试样的断裂韧性实验；步骤C2：在压电半导体标准试样的顶面加载多个机械应力值，每当加载一个机械应力值时，使用线性调流电源在压电半导体标准试样的左右两端加载电流值进行压电半导体标准试样的断裂韧性实验；所述线性调流电源为远程控制调流电源，对输出电流值及伴随电压值具有存储、记录、查询功能。进一步，所述步骤D中，进行机械应力场和高电压场共同耦合作用时压电半导体标准试样的断裂韧性实验，包括如下步骤：步骤D1：首先使用高压电源在压电半导体标准试样左右两端加载多个高电压值，每当加载一个高电压值时，在压电半导体标准试样的顶面加载机械应力进行压电半导体标准试样的断裂韧性实验；步骤D2：在压电半导体标准试样的顶面加载多个机械应力值，每当加载一个机械应力值时，使用高压电源在压电半导体标准试样的左右两端加载高电压值进行压电半导体标准试样的断裂韧性实验；所述高压电源为100kV远程智能操控电源，对输出高电压值具有存储、记录、查询功能。本实验方法（1）在改变压电半导体标准试样极化方向的情况下，通过在机械应力场、电流场、高电压场及其耦合场加载时的压电半导体标准试样的断裂韧性实验；（2）同时将裂纹制作成导电裂纹，并在导电裂纹情况下，在机械应力场、电流场、高电压场及其耦合场加载时的压电半导体标准试样的断裂韧性本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于极化方向改变的压电半导体断裂失效实验研究方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤A：采用切口法使用金刚石刀具在压电半导体试样底面的正中间位置预制一个裂纹而制作成压电半导体标准试样，所述压电半导体标准试样为多个；所述压电半导体标准试样为长L×宽W×高H的长方体且压电半导体标准试样的四条长边均为倒角，倒角为45°±5°，倒角长度为C；所述压电半导体标准试样内的极化方向分为向左方向、向右方向、前后方向或竖直方向四种情况；步骤B：将步骤A中部分压电半导体标准试样放在试验机的三点弯曲夹具上且裂纹朝下，然后在压电半导体标准试样的顶面加载机械应力进行压电半导体标准试样的断裂韧性实验；步骤C：将步骤A中部分压电半导体标准试样的左右端面均镀银层，然后放在试验机的三点弯曲夹具上且裂纹朝下，同时浸没在盛有二甲基硅油的实验盒内，所述三点弯曲夹具采用绝缘材质且具有相应要求的强度和硬度；然后对压电半导体标准试样加载不同的电流值和/或机械应力值，进行在电流场作用时、机械应力场和电流场共同耦合作用时压电半导体标准试样的断裂韧性实验；步骤D：将步骤A中部分压电半导体标准试样的左端面粘贴电绝缘性高的隔层薄膜，所述隔层薄膜采用聚四氟乙烯，在隔层薄膜左端面和压电半导体标准试样的右端面均镀银层，然后放在试验机的三点弯曲夹具上且裂纹朝下，同时浸没在盛满二甲基硅油的实验箱盒内，所述三点弯曲夹具采用绝缘材质且具有相应要求的强度和硬度；然后对压电半导体标准试样加载不同的高电压值和/或机械应力值，进行在高电压场作用时、机械应力场和高电压场共同耦合作用时压电半导体标准试样的断裂韧性实验。...

【技术特征摘要】
1.基于极化方向改变的压电半导体断裂失效实验研究方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤A：采用切口法使用金刚石刀具在压电半导体试样底面的正中间位置预制一个裂纹而制作成压电半导体标准试样，所述压电半导体标准试样为多个；所述压电半导体标准试样为长L×宽W×高H的长方体且压电半导体标准试样的四条长边均为倒角，倒角为45°±5°，倒角长度为C；所述压电半导体标准试样内的极化方向分为向左方向、向右方向、前后方向或竖直方向四种情况；步骤B：将步骤A中部分压电半导体标准试样放在试验机的三点弯曲夹具上且裂纹朝下，然后在压电半导体标准试样的顶面加载机械应力进行压电半导体标准试样的断裂韧性实验；步骤C：将步骤A中部分压电半导体标准试样的左右端面均镀银层，然后放在试验机的三点弯曲夹具上且裂纹朝下，同时浸没在盛有二甲基硅油的实验盒内，所述三点弯曲夹具采用绝缘材质且具有相应要求的强度和硬度；然后对压电半导体标准试样加载不同的电流值和/或机械应力值，进行在电流场作用时、机械应力场和电流场共同耦合作用时压电半导体标准试样的断裂韧性实验；步骤D：将步骤A中部分压电半导体标准试样的左端面粘贴电绝缘性高的隔层薄膜，所述隔层薄膜采用聚四氟乙烯，在隔层薄膜左端面和压电半导体标准试样的右端面均镀银层，然后放在试验机的三点弯曲夹具上且裂纹朝下，同时浸没在盛满二甲基硅油的实验箱盒内，所述三点弯曲夹具采用绝缘材质且具有相应要求的强度和硬度；然后对压电半导体标准试样加载不同的高电压值和/或机械应力值，进行在高电压场作用时、机械应力场和高电压场共同耦合作用时压电半导体标准试样的断裂韧性实验。2.根据权利要求1所述的基于极化方向改变的压电半导体断裂失效实验研究方法，其特征在于，在步骤C和步骤D中所述实验箱盒为顶部开口的长方体盒子，所述长方体盒子的底面为聚四氟乙烯固体绝缘材料，长方体盒子的前面为光学玻璃，长方体盒子的另外三个侧面为有机玻璃。3.根据权利要求2所述的基于极化方向改变的压电半导体断裂失效实验研究方法，其特征在于，所述步骤A中，在每个压电半导体标准试...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵明皞，秦国帅，王刚，马帅杰，
申请(专利权)人：郑州大学，
类型：发明
国别省市：河南;41