[发明专利]一种铝镓氮晶片外延层中铝元素含量的测试方法

说明书

一、所属技术领域

本发明属于计量测试技术领域，涉及化学成分定量分析技术，特别涉及铝镓氮晶体中铝元素定量测试技术。

二、背景技术

铝镓氮(                                                )是制备深紫外探测器的重要材料，铝镓氮晶片通常由金属有机化合物气相淀积法或分子束外延法制备，晶片外延层中铝元素含量与材料的禁带宽度密切相关，是决定铝镓氮紫外探测器响应波段的一项重要指标，准确测定铝镓氮晶片外延层中铝元素的含量对于铝镓氮材料的研究具有现实意义。由于铝镓氮晶片外延层厚度至多几个微米，准确测试外延层中铝元素含量比较困难。目前测试晶片外延层中铝元素的方法为紫外可见光透射法、高分辨X射线衍射法、卢瑟福背散射法等物理方法，物理法只是通过测定与铝元素含量相关的物理参数，然后通过铝元素含量与物理参数的数学模型计算出铝元素的含量，物理法测量结果受到样品生长质量与数学模型的制约，测量结果的不确定度来源不明确。

紫外可见光透射法是通过测量晶片的光学禁带宽度，根据光学禁带宽度与铝元素含量的理论公式进行定量，由于计算公式中含有铝镓氮材料的弯曲因子b，而且文献报道的不一致，因此采用紫外可见光透射法无法获得铝元素的准确值。

高分辨X射线衍射法是通过精确测得铝镓氮晶体的晶格常数，根据维加德定理（晶格常数与材料组分成线性对应关系）计算得到铝元素含量。由于此方法对材料的要求较高，只适用于无应变或应变完全弛豫的理想晶体，因此对铝镓氮晶片的计算结果会存在较大的误差。

卢瑟福背散射法是分析薄膜样品简便可靠和非破坏性的方法，通常采用SIMNRA或RUMP程序对外延膜材料某一晶轴的背散射随机谱进行模拟，可以获得样品中各元素的化学计量比，此方法对于氮元素定量准确性差，国内现有的测试装置为数不多，测试方法的误差来源和影响因素也尚未明确。

目前国内外还没有有关铝镓氮晶片外延层中铝元素含量的化学分析法方面的报道。

三、发明内容

本发明旨在针对生长在衬底材料上的铝镓氮晶体外延层，提供一种铝元素含量的化学分析法。

本发明专利的目的是这样实现的，采用熔融的氢氧化钠刻蚀外延层中的铝镓氮，熔融氢氧化钠与铝镓氮反应生成偏铝酸钠；

Al_xGa_1-xN+NaOH→NaAlO₂+Ga₂O₃+NH₃↑

然后把刻蚀掉的氢氧化钠溶液用过量的盐酸(6mol·L^-1)中和，溶液需要保持强酸性，溶液的pH=2～3，此时铝元素发生下面反应，生成了AlCl₃：

NaAlO₂+HCl→AlCl₃+NaCl+H₂O

用盐酸和氨水对含有AlCl₃的溶液进行酸度调节，采用铬天青S为络合显色体，铬天青S与Al³⁺发生络合反应，显色溶液介质为乙酸乙酸钠缓冲溶液，采用分光光度计测量溶液546nm处的吸光度，根据加入铝标准溶液与铬天青S络合显色溶液的吸光度值绘制铝元素含量与吸光度标准曲线，再根据刻蚀液的吸光度值可以计算出刻蚀液中的铝元素质量。

采用深紫外光致发光光谱仪控制刻蚀程度，提高样品有效转移率，避免过度刻蚀引入的误差，从而提高测试精度。

本发明涉及的铝镓氮晶片外延层中铝元素含量的测试方法，包括样品处理，外延层刻蚀、化学络合、吸光度测试和比对、计算换算得到铝元素含量，

（1）样品预处理：用稀盐酸浸泡样品去除水溶性杂质，去离子水清洗至中性，用分析纯丙酮浸泡除油，干燥，准确称量（精确到0.001mg）；

（2）刻蚀：在样片表面平铺一薄层粉末状氢氧化钠，加热至氢氧化钠完全熔融，保温刻蚀至熔融的氢氧化钠完全透明，冷却，用去离子水溶解刻蚀物，得到刻蚀液；

用盐酸调节刻蚀液酸度pH值介于2～3之间，定容得到待测样品； 

（3）铝标准溶液配制

用浓氢氧化钠溶液加热溶解高纯铝，用盐酸调节溶液pH值介于2～3之间，定容得到铝元素标准溶液；

（4）络合显色：以百里酚蓝作指示剂，以铬天青S为络合剂；在乙酸-乙酸钠缓冲体系中，用盐酸和氨水调至体系呈微红色，得到吸光度测试溶液；

（5）吸光度测试及数据处理