鋁鎵氮三元合金作為重要的第3代直接帶隙半導體材料，在紫外制導、紫外預警及外通訊等領域具有潛在的用途，近年來成為材料研究方面的熱點［1–2］。由于不存在天然的鋁鎵氮合金，通常采用金屬有機化合物氣相淀積法(MOCVD)或分子束外延法(MBE)在襯底藍寶石晶片上面生長至多2～3μm鋁鎵氮三元合金晶體。在鋁鎵氮合金中，鋁元素的含量與材料禁帶寬度密切相關，直接決定其應用范圍。因此準確測定鋁鎵氮合金中的鋁元素的含量具有重要意義［3–4］。

目前測定鋁鎵氮外延層中鋁元素含量通常采用非破壞物理法，如盧瑟夫背散射法(RBS)、紫外可見光透射法(UV–VIS)、高分辨X射線衍射法(HRXRD)以及電子探針微區(qū)分析法(EPMA)等。RBS法不需要標樣，是一種**測量法，測量不確定度主要來源于非盧瑟夫散射引入的誤差；EPMA是一種高精度測量方法，測量過程中需要標準物質，不確定度主要來源于樣品與標準物質的差異進行的ZAF修正；UV–VIS法是通過測定樣品的禁帶寬度間接計算得到鋁元素含量，不確定度主要來源于測量模型參數(shù)不完整，缺乏彎曲因子b的權威值；HRXRD法通過測量鋁鎵氮晶體的晶格參數(shù)來間接計算鋁元素的含量，測量模型為維蘭德定律，不確定度主要來源于樣品狀態(tài)對晶格參數(shù)的影響。在測量化學成分量時，上述方法均存在測量對象不直接的問題［5–8］。目前，國內外還沒有測量鋁鎵氮外延片鋁元素含量的化學法報道，可供借鑒的標準方法有GB／T12689.1–2004［9］。筆者采用鉻天青S與鋁絡合顯色，采用分光光度法測量鋁鎵氮晶體薄膜中鋁元素含量，測量過程中需要把鋁鎵氮晶體薄膜從藍寶石襯底上剝離下來，且避免襯底元素的影響。筆者有效地控制刻蝕深度并找到刻蝕終點，通過同時出現(xiàn)外延層AlxGa1-xN與襯底Al2O3的發(fā)光峰作為刻蝕終點的依據，基本上實現(xiàn)了在未刻蝕襯底的情況下把AlxGa1-xN薄膜剝離下來，測量結果重復性好且準確可靠，為測量鋁鎵氮外延片中鋁含量提供了一種可靠的化學分析方法。

1實驗部分

1．1主要儀器與試劑

分光光度計：SP–722E型，上海光譜儀器廠；氫氧化鈉、鹽酸、氨水、冰乙酸、無水乙酸鈉、百里香酚藍：分析純；硫脲：5g／mL，分析純；抗壞血酸：1g／mL，分析純；鉻天青S：25μg／mL，分析純；鋁：純度99.999%；氫氧化鈉粉末：優(yōu)級純。

1．2方法原理

把鋁鎵氮樣品用熔融的氫氧化鈉刻蝕下來，用鹽酸中和至弱堿性，鋁與鉻天青S生成有色絡合物，于分光光度計546nm處測量吸光度。Al3+和鉻天青S在弱堿性溶液中生成紫紅色的二元絡合物，*大吸收波長λmax=546nm，摩爾吸收系數(shù)ε=4×104L／(mol·cm)。

1．3樣品處理

樣品為MOCVD法制備的藍寶石襯底鋁鎵氮外延片，鋁鎵氮層厚度大于2μm，在鉑坩堝熔融的優(yōu)級純氫氧化鈉中進行刻蝕，樣品表面刻蝕深度通過深紫外光致發(fā)光光譜儀測量不同刻蝕時間的熒光峰的強度與位置進行控制。圖1為在刻蝕接近襯底時，光譜儀同時測量到的鋁鎵氮與襯底Al2O3的熒光光譜峰。

由圖1可知，鋁鎵氮與襯底Al2O3的熒光光譜峰位置分別為2350.5?與3308.4?。為了準確控制刻蝕深度，防止刻蝕掉襯底中鋁元素，采用控制氫氧化鈉單位面積的質量來控制單次刻蝕深度，多次刻蝕實現(xiàn)薄膜與襯底分離，當出現(xiàn)襯底Al2O3的熒光峰時，便立刻停止刻蝕。坩堝冷卻后，把坩堝內的氫氧化鈉連同刻蝕過程中洗滌刻蝕樣用的鹽酸溶液，用去離子水轉移至250mL容量瓶內，用鹽酸把刻蝕液調節(jié)至pH值為1～2，定容待測。

1．4鋁標準溶液配制

準確稱取24.412mg高純鋁與0.8g氫氧化鈉放入鉑金坩堝內，用電爐加熱鉑金坩堝使氫氧化鈉熔融，在熔融的氫氧化鈉中鋁溶解并不斷放出氣泡，直到氣泡完全消失。待坩堝冷卻后，加入去離子水把凝固的氫氧化鈉溶解，并轉移至250mL的容量瓶內，加入15mL鹽酸溶液（1+19），然后加入去離子水定容，此時溶液中鋁元素的質量濃度為96.652μg／mL。用移液管移去25mL上述溶液于250mL容量瓶中，用鹽酸把刻蝕液調節(jié)至pH值為1～2，用去離子水定容，鋁標準溶液的質量濃度為9.665μg／mL。

2結果與討論

2．1鉻天青S–鋁絡合顯色反應

分別移取0.0，1.0，2.0，3.0，4.0mL鋁標準溶液，以及5.0，20mL刻蝕液于7個容量瓶內。加去離子水至30mL，滴加2滴百里酚藍，用鹽酸溶液（1+19）和氨水（1+6）調至微紅（pH值約為2），依次加入1mL（1+1）鹽酸、1mL抗壞血酸、2mL硫脲、2.5mL鉻天青S，搖均后加入5.0mL乙酸緩沖溶液靜止放置20min后測量吸光度，穩(wěn)定后的鋁與鉻天青S的絡合溶液為紫紅色。

2．2吸收曲線

以空白樣品為參比，采用分光光度計在520～570nm波長范圍內測定樣品溶液的吸光度，繪制吸光度與波長的關系曲線，見圖2。根據圖2確定546nm為樣品溶液與標準溶液的測定波長。

2．3工作曲線方程

以空白樣品的絡合溶液為參比溶液，對2.1中系列標準溶液進行測定，吸光度依次為0.120，0.311，0.502，0.690，0.847。以吸光度為橫坐標，標準溶液的體積為縱坐標，進行線性擬合，得回歸方程為V=0.3087+5.448A，相關系數(shù)r=0.9993。

2．4方法精密度試驗

對同一刻蝕液進行5次重復測定，根據工作曲線把體積V1(20mL)刻蝕液的吸光度A換算成鋁的質量m1，計算出總體積V2(250mL)刻蝕液中鋁的質量m2，m2與樣品總質量m0的比為樣品中鋁元素的含量wAl。表1列出了蝕液5次測定結果。

根據表1數(shù)據計算得樣品中鋁元素含量，5次測定結果的相對標準偏差為1.1％，由此可見該法精密度較高。

2．5樣品測定與回收試驗

對鋁鎵氮樣品進行3次刻蝕試驗，為了保證3次測量結果的獨立性，采用了不同質量的樣品與標準曲線，試驗結果列于表2

根據表2數(shù)據計算得3次刻蝕鋁元素含量測定結果的平均值為44.6％。移取10，20，30mL刻蝕液，編號為1，2，3，分別測定其吸光度，然后分別添加1mL9.665μg／mL鋁標準溶進行回收試驗，試驗結果列于表3。由表3可知，方法回收率為96%～103%。

2．6方法比對

分光光度法測量鋁鎵氮中鋁含量，需要破壞樣品，由于本實驗研究用的鋁鎵氮外延片十分昂貴，制備的外延片數(shù)量有限，沒有條件開展大量的重復性試驗。但是筆者把此方法與電子探針波譜法的測量結果進行了比較[10]。結果表明，分光光度法測量鋁鎵氮外延片中鋁含量的測定結果與電子探針波譜法測定結果(44.3%)具有很好的一致性。

3結語

采用熔融的氫氧化鈉刻蝕鋁鎵氮外延片，刻蝕液經過鹽酸中和處理后，滿足鉻天青S顯色條件，采用分光光度法測定其中的鋁含量。方法精密度和準確度高，為鋁鎵氮外延片中鋁含量的分析提供一種精確的化學分析方法。