基于极化方向改变的压电半导体断裂失效实验研究方法

摘要

本发明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。

说明书

技术领域

本发明属于压电半导体技术领域，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。

背景技术

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。

发明内容

本发明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。

本发明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实验；从而得到大量实验数据，根据实验数据拟合出上述各个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出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。

附图说明

图1为制作压电半导体标准试样的结构示意图；

图2为图1的右视图；

图3为压电半导体标准试样的断裂韧性实验装置图一；

图4为压电半导体标准试样的断裂韧性实验装置图二。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步描述。

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，包括如下步骤：

如图1、图2和图3所示，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1而制作成压电半导体标准试样2，所述压电半导体标准试样2为多个；所述压电半导体标准试样2为长L×宽W×高H的长方体且压电半导体标准试样2的四条长边均为倒角，其中，L≥18mm、L≥36mm或L≥45mm；W=3±0.1mm；H=4±0.1mm；倒角为45°±5°；倒角长度为C=0.12±0.03mm；所述压电半导体标准试样2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；这种尺寸设计是为了有效避免机械应力加载点和支撑点附近的应力集中对裂纹1附近区域的干扰；其中，裂纹1的宽度不大于0.1mm；裂纹1的深度为0.4±0.2mm；将裂纹1的宽度制作为不大于0.1mm；裂纹1的深度制作为0.4±0.2mm就是为了保证在断裂韧性实验过程中在裂纹1处出现快速扩展，测量更加精确，若裂纹1的宽度大于0.1mm或深度大于0.6mm则可能在预制裂纹1处出现稳态裂纹扩展，此时测得的断裂韧性值就会偏大；

步骤B：将步骤A中部分压电半导体标准试样2放在试验机9的三点弯曲夹具8上且裂纹1朝下，然后在压电半导体标准试样2的顶面加载机械应力进行压电半导体标准试样2的断裂韧性实验；其中，试验机的压头5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9的压头5距离压电半导体标准试样2顶面1毫米时，采用位移控制使得压头5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9的压头5接触压电半导体标准试样2顶面时，采用压力闭环控制使得压头5对压电半导体标准试样2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。

由于压电半导体材料为脆性材料，在断裂韧性实验中需要保证在要求的时间内施加均匀的应力，这不仅对于压电半导体标准试样2表面的粗糙度要求高，还要求施加点的绝对垂直对中没有偏斜，因此本试验方法中采用了三点弯曲实验的方法进行断裂韧性的测量。

如图3所示，步骤C：将步骤A中部分压电半导体标准试样2的左右端面均镀银层7，然后放在试验机9的三点弯曲夹具8上且裂纹1朝下，同时浸没在盛有二甲基硅油3的实验盒4内，所述三点弯曲夹具8采用绝缘材质且具有相应要求的强度和硬度，所述实验箱盒4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，这种长方体盒子绝缘的同时便于对实验的观察；然后对压电半导体标准试样2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2的断裂韧性实验；

其中，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2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6在压电半导体标准试样2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2的顶面加载机械应力进行压电半导体标准试样2的断裂韧性实验；

步骤C2：在压电半导体标准试样2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6在压电半导体标准试样2的左右两端加载电流值进行压电半导体标准试样2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；

为了避免在给压电半导体标准试样2加载电流时击穿空气而影响实验数据，而浸没在盛有二甲基硅油3的实验盒4内进行实验，二甲基硅油3具有绝缘、灭弧及散热的作用，同时二甲基硅油3具有无色无味透明度高的特点便于对实验的观察。

如图4所示，步骤D：将步骤A中部分压电半导体标准试样2的左端面粘贴电绝缘性高的隔层薄膜10，所述隔层薄膜10采用聚四氟乙烯，厚度1mm，在隔层薄膜10左端面和压电半导体标准试样2的右端面均镀银层7，然后放在试验机9的三点弯曲夹具8上且裂纹1朝下，同时浸没在盛满二甲基硅油3的实验箱盒4内，所述三点弯曲夹具8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2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2的断裂韧性实验；

其中，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2的断裂韧性实验，包括如下步骤：

步骤D1：首先使用高压电源11在压电半导体标准试样2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2的顶面加载机械应力进行压电半导体标准试样2的断裂韧性实验；

步骤D2：在压电半导体标准试样2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11在压电半导体标准试样2的左右两端加载高电压值进行压电半导体标准试样2的断裂韧性实验；

所述高压电源11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。

由于压电材料的性质与一般的压电介材料明显不同，是无法实现直接在其左右两端加载高电压的。以氮化镓压电半导体、长L=40mm；宽W=3mm；高H=4mm为例，其电阻值R=33.33欧，而高压电源11的电流比较小一般在毫安量级，因此如果直接加载在压电半导体标准试样2两端是无法达到高电压的，因此通过在压电半导体标准试样2的左端面粘贴电绝缘性高的隔层薄膜10，从而大大增加了压电半导体标准试样2整体的电阻而实现了高电压的加载；同时为了避免在给压电半导体标准试样2加载高电压时出现高压电弧放电而影响实验数据，而浸没在盛有二甲基硅油3的实验盒4内进行实验，二甲基硅油3起到绝缘的作用，同时二甲基硅油3具有无色无味透明度高的特点便于观察实验。

以上实验步骤研究了压电半导体标准试样2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下的压电半导体标准试样2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。

为了研究在裂纹1在导电的情况下对压电半导体标准试样2的断裂韧性的影响，在每个压电半导体标准试样2的裂纹1内灌注银浆而制作成导电裂纹，然后将带有导电裂纹的压电半导体标准试样2按照上述实验步骤A至步骤D重新进行压电半导体标准试样2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。

本实验方法在改变压电半导体标准试样2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2的断裂韧性实验；同时将裂纹1制作成导电裂纹，在导电裂纹情况下的上述各物理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；从而得到大量实验数据，根据实验数据拟合出上述各个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出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。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，但这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。