【摘要】：壓電半導(dǎo)體是一種兼具壓電性質(zhì)和半導(dǎo)體性質(zhì)的先進材料,在智能器件制造領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。由于壓電半導(dǎo)體材料自身和結(jié)構(gòu)的特點,在制備和使用過程中不可避免地產(chǎn)生變形、夾雜和缺陷,在多場服役環(huán)境下,將產(chǎn)生復(fù)雜的失效行為,對結(jié)構(gòu)、器件的可靠性及安全服役能力產(chǎn)生極大的影響。本文以GaN為對象,系統(tǒng)研究壓電半導(dǎo)體在力-電壓-電流等多場耦合作用下的斷裂失效行為。研制了壓電半導(dǎo)體多場斷裂實驗系統(tǒng);提出了壓電半導(dǎo)體非線性耦合迭代分析方法;利用多場三點彎曲實驗,分析并揭示了壓電半導(dǎo)體在力電耦合載荷作用下變形機制和斷裂機理;結(jié)合實驗及數(shù)值結(jié)果,探討構(gòu)建了壓電半導(dǎo)體多場斷裂準則及數(shù)值分析體系。為壓電半導(dǎo)體構(gòu)件在多場作用下的可靠性設(shè)計及結(jié)構(gòu)分析提供基礎(chǔ)。(1)根據(jù)壓電半導(dǎo)體的材料性質(zhì)及多場服役環(huán)境,確立了力電耦合斷裂實驗研究方法,設(shè)計了典型、標準的多場斷裂測試試樣。基于該實驗方法,搭建了壓電半導(dǎo)體多場加載實驗平臺,研制了壓電半導(dǎo)體多場斷裂測試實驗系統(tǒng),設(shè)計了系列有效的輔助實驗裝置及絕緣實驗環(huán)境,解決了機械力-電流-強電場耦合加載的關(guān)鍵技術(shù),實現(xiàn)了各物理場的遠程加載、操控及數(shù)據(jù)量測的自動化。針對壓電半導(dǎo)體材料特性,設(shè)計了基于夾層極化方法的壓電半導(dǎo)體多樣性極化裝置,開發(fā)了新型的裂紋預(yù)制技術(shù),使平臺具備極化及預(yù)制裂紋等能力。(2)根據(jù)嚴格的壓電半導(dǎo)體非線性理論,提出“彈性-半導(dǎo)體”非線性耦合迭代計算方法�；谕ㄓ糜邢拊治鍪侄螌崿F(xiàn)了該方法關(guān)于彈性、半導(dǎo)體兩類邊值問題的數(shù)值迭代求解。設(shè)計了相關(guān)的實驗驗證方法,驗證了計算方法的有效性。利用該方法對典型GaN壓電半導(dǎo)體器件的機電耦合特性進行了深入的研究,發(fā)現(xiàn)機械載荷可以通過壓電極化電荷有效地調(diào)節(jié)和控制壓電半導(dǎo)體構(gòu)件的電流輸運行為�；跀�(shù)值迭代方法,分析了不同力、電邊界條件對壓電半導(dǎo)體肖特基結(jié)空間電荷區(qū)的影響,為壓電半導(dǎo)體多場結(jié)構(gòu)分析提供基礎(chǔ)。(3)利用壓電半導(dǎo)體多場實驗實驗方法及數(shù)值手段,研究了直流電場和電流密度對退極化壓電半導(dǎo)體彎曲性能的影響;結(jié)果表明,直流電場可以降低壓電半導(dǎo)體彎曲強度,但場強達到一定范圍后,對彎曲強度不再影響,而電流載荷則引起彎強度的持續(xù)降低;基于迭代數(shù)值方法,計算了多場環(huán)境下材料內(nèi)部各物理場的耦合分布,結(jié)合不同載荷作用下材料斷面形貌、微觀組織變化及實驗測試結(jié)果,分析了電場和電流對壓電半導(dǎo)體彎曲性能的影響機理。利用夾層極化處理方法及裝置,研究了極化處理對壓電半導(dǎo)體機電性能的影響,發(fā)現(xiàn)極化不僅可以提高壓電半導(dǎo)體的彎曲強度,改變材料電位移特性,還對材料電流輸運能力影響顯著;結(jié)合數(shù)值計算及實驗結(jié)果,揭示了極化對壓電半導(dǎo)體材料機電性能的影響機理,為壓電半導(dǎo)體器件設(shè)計提供支持。(4)基于壓電半導(dǎo)體多場斷裂實驗系統(tǒng),測定了GaN壓電半導(dǎo)體的斷裂韌性,研究了壓電半導(dǎo)體在力電耦合載荷作用下的斷裂行為。結(jié)果表明,電流密度對壓電半導(dǎo)體的斷裂有著重要的影響,而強電場環(huán)境則使材料表現(xiàn)出一定的增韌特性,這與傳統(tǒng)的壓電介質(zhì)有著根本不同。利用有限元分析方法,計算了三點彎試樣在力和強電場耦合作用下的載流子重新分布,分析了壓電半導(dǎo)體在機械、電壓和電流聯(lián)合載荷作用下的斷裂機理。結(jié)合數(shù)值分析和實驗結(jié)果,給出了壓電半導(dǎo)體裂紋尖端應(yīng)力、電位移、電流密度的強度因子表達式,建立了力電聯(lián)合載荷作用下的壓電半導(dǎo)體斷裂準則,澄清了壓電半導(dǎo)體斷裂行為和電流密度之間關(guān)系。初步探討構(gòu)建了壓電半導(dǎo)體多場斷裂模型和失效分析體系,為壓電半導(dǎo)體器件的可靠性設(shè)計和評估提供基礎(chǔ)。
【學(xué)位授予單位】：鄭州大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TN304

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本文編號：2593834