Галиум (III) оксид

Галиум(III) оксид — неорганско соединение и полупроводник со ултра широк пропусен јаз со формулата Ga<sub>2</sub>O<sub>3</sub>. Активно се изучува за апликации во енергетската електроника, фосфорите и сензорите за гасови. Соединението има неколку полиморфи, од кои моноклиничната β-фаза е најстабилна. Појасот на β-фазата од 4,7-4,9 eV и природните подлоги со голема површина го прават ветувачки конкурент на апликациите за енергетска електроника базирани на GaN и SiC и на сончевите слепи УВ фотодетектори. Ga<sub>2</sub>O<sub>3</sub> покажува намалена топлинска спроводливост и подвижност на електроните по ред на големина во споредба со GaN и SiC, но се предвидува дека е значително поисплатлив поради тоа што е единствениот материјал со широк опсег што може да се одгледува од топење. Се смета дека β-Ga<sub>2</sub>O<sub>3</sub> е тешко зрачење што го прави ветувачки за воени и вселенски апликации.
1 Подготовка
Галиум триоксидот се таложи во хидрирана форма при неутрализација на кисел или базен раствор на галиумова сол. Исто така, се формира при загревање на галиум во воздух или со топлинско разложување на галиум нитрат на 200–250 ˚C.
Кристалинот Ga<sub>2</sub>O<sub>3</sub> може да се појави во пет полиморфи, α, β, γ, δ и ε. Од овие полиморфи β-Ga<sub>2</sub>O<sub>3</sub> е термодинамички најстабилната фаза при стандардна температура и притисок додека α-Ga<sub>2</sub>O<sub>3</sub> е најстабилниот полиморф при високи притисоци.* β-Ga<sub>2</sub>O<sub>3</sub> Епитаксијалните тенки слоеви може да се депонираат хетероепитаксијално на супстрати како што се сафирот, GaN, SiC и Si, како и хомоепитаксијално. На пример, ALD на супстрати од сафир на температури помеѓу 190 °C и 550 °C се докажани. Висококвалитетни β-Ga<sub>2</sub>O<sub>3</sub> филмови исто така се одгледуваат со помош на техники како што се MBE, HVPE и MOVPE. HVPE се претпочита за полупроводнички уреди со вертикална моќност поради неговата брза стапка на раст. β-Ga<sub>2</sub>O<sub>3</sub> епитаксијалните филмови одгледувани со MOVPE покажуваат повисоки мобилности на електрони и пониски концентрации на носители во позадина од оние што се одгледуваат со други техники за раст на тенок филм.
Може да се произведуваат масовни подлоги од β-Ga<sub>2</sub>O<sub>3</sub>, што е една од главните предности на овој материјален систем. Масовните подлоги може да се произведуваат во повеќе ориентации и со повеќе техники.* α-Ga<sub>2</sub>O<sub>3</sub> може да се добие со загревање на β-Ga<sub>2</sub>O<sub>3</sub> на 65 kbars и 1100 °C. Има структура на корунд. Хидрираната форма може да се подготви со разградување на преципитираниот и „остарениот“ галиум хидроксид на 500 °C. Демонстрирани се епитаксијални тенки слоеви од α-Ga<sub>2</sub>O<sub>3</sub> депонирани на подлоги од сафир c-рамнина (0001), m-рамнина (10-10) или a-рамнина (11-20).
* γ-Ga<sub>2</sub>O<sub>3</sub> се подготвува со брзо загревање на гелот со хидроксид на 400-500 °C. Покристална форма на овој полиморф може да се подготви директно од галиум метал со солвотермална синтеза.* δ-Ga<sub>2</sub>O<sub>3</sub> се добива со загревање на Ga(NO<sub>3</sub> )<sub>3</sub> на 250 °C.* ε-Ga<sub>2</sub>O<sub>3</sub> се подготвува со загревање δ-Ga<sub>2</sub>O<sub>3</sub> на 550 °C. Тенките фолии на ε-Ga<sub>2</sub>O <sub>3</sub> се таложат со помош на металорганска епитаксија во пареа фаза со користење на триметилгалиум и вода на супстрати од сафир на температури помеѓу 550 и 650 °C
2 Реакции
Галиум (III) триоксидот е амфотеричен. Тој реагира со оксидите на алкалните метали на висока температура за да формира, на пр., NaGaO<sub>2</sub>, и со Mg, Zn, Co, Ni, Cu оксидите за да формира спинели, на пр., MgGa<sub>2</sub>O<sub>4</sub>. Се раствора во силни алкали за да формира раствор на галатниот јон, </br> .
Со HCl, формира галиум трихлорид <sub>GaCl3</sub>.
Може да се редуцира до галиум субоксид (галиум(I) оксид) Ga<sub>2</sub>O со H<sub>2</sub>. или со реакција со галиум метал:
3 Структура
β-Ga<sub>2</sub>O<sub>3</sub>, со точка на топење од 1900 ˚C, е најстабилната кристална модификација. Оксидните јони се во изобличен кубен распоред на најблиското пакување, а јоните на галиум (III) зафаќаат искривени тетраедрални и октаедрални места, со растојанија на врската Ga–O од 1,83 и 2,00 Å соодветно.
α- <sub>Ga2O3</sub> ја има истата структура ( корунд ) како <sub>α</sub> - <sub>Al2O3</sub>, каде што јоните <sub>на</sub> Ga се 6-координати.
γ-Ga<sub>2</sub>O<sub>3</sub> има дефектна спинел структура слична на онаа на γ-Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>.
ε-Ga<sub>2</sub>O<sub>3</sub> филмовите депонирани со металорганска епитаксија на пареа фаза покажуваат колонозна структура со орторомписки кристален систем. Макроскопски, оваа структура се гледа со рендгенска кристалографија како шестаголно блиску спакувана.
κ-Ga<sub>2</sub>O<sub>3</sub> има орторомбна структура и се формира со 120 ° двојни домени што резултира со шестаголна симетрија која често се идентификува како ε-Ga<sub>2</sub>O<sub>3</sub>.
4 Апликации
Галиум (III) оксид е проучен за употреба како пасивни компоненти во ласери, фосфори, и луминисцентни материјали како и активни компоненти за сензори за гас, енергетски диоди, и моќни транзистори. Од првото објавување во јануари 2012 година од страна на Националниот институт за информатичка и комуникациска технологија, во соработка со Tamura Co., Ltd. и Koha Co., Ltd. на првото поле во светот со еднокристален галиум оксид (Ga<sub>2</sub>O<sub>3</sub> ) ефективни транзистори, доминантниот интерес за галиум оксид е во β-полиморфот за енергетска електроника.
Моноклиничкиот β-Ga<sub>2</sub>O<sub>3</sub> покажа зголемени перформанси од 2012 година, приближувајќи се до најсовремените уреди за моќност GaN и SiC. β-Ga<sub>2</sub>O<sub>3</sub> Шоткиевите диоди го надминаа пробивниот напон 2400 V. β <sub>-</sub> Ga<sub>2</sub>O<sub>3</sub><sub>/</sub> NiOx p-n диодите покажаа пробивен напон над 1200 V. имаат поединечно постигнати бројки за заслуги од f <sub>T</sub> од 27 GHz, f <sub>MAX</sub> од 48 GHz, и просечно поле на дефект од 5,4 MV/cm. Ова поле го надминува она што е можно во SiC или GaN.
ε-Ga <sub>2</sub> O <sub>3</sub> тенки фолии депонирани на сафир покажуваат потенцијални апликации како сончев слеп УВ фотодетектор.