Википедија

Галиум (III) оксид

хемиско соединение
Нема проверени преработки на оваа страница, што значи дека можеби не е проверено дали се придржува до стандардите.

Галиум(III) оксид — неорганско соединение и полупроводник со ултра широк пропусен јаз со формулата Ga2O<sub id="mwHw">3</sub> . Активно се изучува за апликации во енергетската електроника, фосфорите и сензорите за гасови .[1][2][3] 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.[3][4] Ga2O3 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.[3][5][6] Се смета дека β-Ga2O3 е тешко зрачење што го прави ветувачки за воени и вселенски апликации.[7][8]

Подготовка

уреди

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 термичко разложување на галиум нитрат на 200–250 ˚C.

Кристалинот Ga2O3 може да се појави во пет полиморфи, α, β, γ, δ и ε. Од овие полиморфи β-Ga2O3 е термодинамички најстабилната фаза при стандардна температура и притисок [9] додека α-Ga2O3 е најстабилниот полиморф при високи притисоци.[10]

  • β-Ga2O3 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.[11] Висококвалитетни β-Ga2O3 филмови исто така се одгледуваат со помош на техники како што се MBE, HVPE и MOVPE .[12] HVPE се претпочита за полупроводнички уреди со вертикална моќност поради неговата брза стапка на раст.[13] β-Ga2O3 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.[14][15]

Може да се произведуваат масовни подлоги од β-Ga2O3, што е една од главните предности на овој материјален систем. Масовните подлоги може да се произведуваат во повеќе ориентации и со повеќе техники.[16][17]

  • α-Ga2O3 може да се добие со загревање на β-Ga2O3 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-Ga2O3 депонирани на подлоги од сафир c-рамнина (0001), m-рамнина (10-10) или a-рамнина (11-20).
  • γ-Ga2O3 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.[18]
  • δ-Ga2O3 се добива со загревање на Ga(NO3 )3 на 250 °C.[19]
  • ε-Ga2O3 се подготвува со загревање δ-Ga2O3 на 550 °C.[9] Тенките фолии на ε-Ga2O 3 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 [20]

Реакции

уреди

Галиум (III) триоксидот е амфотеричен .[21] Тој реагира со оксидите на алкалните метали на висока температура за да формира, на пр., NaGaO2, и со Mg, Zn, Co, Ni, Cu оксидите за да формира спинели, на пр., MgGa2O4 .[22] Се раствора во силни алкали за да формира раствор на галатниот јон, Ga(OH)−
4</br> Ga(OH)−
4 .

Со HCl, формира галиум трихлорид GaCl3 .[23]

Може да се редуцира до галиум субоксид (галиум(I) оксид) Ga2O со H2 .[24] или со реакција со галиум метал:[25]

Структура

уреди

β-Ga2O3, 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.[26]

α- Ga2O3 ја има истата структура ( корунд ) како α - Al2O3, каде што јоните на Ga се 6-координати.

γ-Ga2O3 има дефектна спинел структура слична на онаа на γ-Al2O3 .

ε-Ga2O3 филмовите депонирани со металорганска епитаксија на пареа фаза покажуваат колонозна структура со ортохомбична кристална симетрија . Макроскопски, оваа структура се гледа со рендгенска кристалографија како шестаголно блиску спакувана .[27]

κ-Ga2O3 има орторомбна структура и се формира со 120 ° двојни домени што резултира со шестаголна симетрија која често се идентификува како ε-Ga2O3 .[28]

Апликации

уреди

Галиум (III) оксид е проучен за употреба како пасивни компоненти во ласери,[29] фосфори,[1] и луминисцентни материјали [30] како и активни компоненти за сензори за гас,[2] енергетски диоди,[31] и моќни транзистори.[32] 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 (Ga2O3 ) ефективни транзистори, доминантниот интерес за галиум оксид е во β-полиморфот за енергетска електроника .[33][3]

Моноклиничкиот β-Ga2O3 покажа зголемени перформанси од 2012 година, приближувајќи се до најсовремените уреди за моќност GaN и SiC.[3] β-Ga2O3 Шотки диодите го надминаа пробивниот напон [34] 2400 V.[31] β - Ga2O3 / NiO <sub id="mwAXM">x</sub> p-n диодите покажаа пробивен напон над 1200 V. имаат поединечно постигнати бројки за заслуги од f T од 27 GHz,[32] f MAX од 48 GHz,[35] и просечно поле на дефект од 5,4 MV/cm.[35] Ова поле го надминува она што е можно во SiC или GaN.

ε-Ga 2 O 3 тенки фолии депонирани на сафир покажуваат потенцијални апликации како сончев слеп УВ фотодетектор .[4]

Наводи

уреди
  1. ↑ 1,0 1,1 Lin, Jianhua; Zhou, Liuyan; Shen, Yuyu; Fu, Jie; Chen, Yanling; Lei, Lei; Ye, Renguang; Shen, Yang; Deng, Degang (2022-12-10). „[Zn2+ - Ge4+] co-substitutes [Ga3+ - Ga3+] to coordinately broaden the near-infrared emission of Cr3+ in Ga2O3 phosphors“. Physical Chemistry Chemical Physics (англиски). 25 (3): 2090–2097. doi:10.1039/D2CP04737C. ISSN 1463-9084. PMID 36562283 Проверете ја вредноста |pmid= (help). Грешка во наводот: Неважечка ознака <ref>; називот „:0“ е зададен повеќепати со различна содржина.
  2. ↑ 2,0 2,1 Liu, Zhifu; Yamazaki, Toshinari; Shen, Yanbai; Kikuta, Toshio; Nakatani, Noriyuki; Li, Yongxiang (2008-02-22). „O2 and CO sensing of Ga2O3 multiple nanowire gas sensors“. Sensors and Actuators B: Chemical (англиски). 129 (2): 666–670. doi:10.1016/j.snb.2007.09.055. ISSN 0925-4005. Грешка во наводот: Неважечка ознака <ref>; називот „:1“ е зададен повеќепати со различна содржина.
  3. ↑ 3,0 3,1 3,2 3,3 3,4 Green, Andrew J.; Speck, James; Xing, Grace; Moens, Peter; Allerstam, Fredrik; Gumaelius, Krister; Neyer, Thomas; Arias-Purdue, Andrea; Mehrotra, Vivek (2022-02-01). „β-Gallium oxide power electronics“. APL Materials. 10 (2): 029201. Bibcode:2022APLM...10b9201G. doi:10.1063/5.0060327. Грешка во наводот: Неважечка ознака <ref>; називот „:2“ е зададен повеќепати со различна содржина.
  4. ↑ 4,0 4,1 Pavesi, M. (2018). „ε-Ga2O3 epilayers as a material for solar-blind UV photodetectors“. Materials Chemistry and Physics. 205: 502–507. doi:10.1016/j.matchemphys.2017.11.023. Грешка во наводот: Неважечка ознака <ref>; називот „:3“ е зададен повеќепати со различна содржина.
  5. ↑ Reese, Samantha B.; Remo, Timothy; Green, Johney; Zakutayev, Andriy (2019-04-17). „How Much Will Gallium Oxide Power Electronics Cost?“. Joule (англиски). 3 (4): 903–907. doi:10.1016/j.joule.2019.01.011. ISSN 2542-4351.
  6. ↑ Heinselman, Karen N.; Haven, Drew; Zakutayev, Andriy; Reese, Samantha B. (2022-08-03). „Projected Cost of Gallium Oxide Wafers from Edge-Defined Film-Fed Crystal Growth“. Crystal Growth & Design (англиски). 22 (8): 4854–4863. doi:10.1021/acs.cgd.2c00340. ISSN 1528-7483.
  7. ↑ Bauman, D. A.; Borodkin, A. I.; Petrenko, A. A.; Panov, D. I.; Kremleva, A. V.; Spiridonov, V. A.; Zakgeim, D. A.; Silnikov, M. V.; Odnoblyudov, M. A. (2021-03-01). „On improving the radiation resistance of gallium oxide for space applications“. Acta Astronautica (англиски). 180: 125–129. Bibcode:2021AcAau.180..125B. doi:10.1016/j.actaastro.2020.12.010. ISSN 0094-5765.
  8. ↑ „Fundamental Studies and Modeling of Radiation Effects in beta-Gallium Oxide“ (англиски). Наводот journal бара |journal= (help)
  9. ↑ 9,0 9,1 Bailar, J; Emeléus, H; Nyholm, R; Trotman-Dickenson, A. F. (1973).
  10. ↑ Yan-Mei et alChinese Phys. Lett. 25 1603, Ma (2008). „High-Pressure and High-Temperature Behaviour of Gallium Oxide“. Chinese Physics Letters. 25 (5): 1603–1605. doi:10.1088/0256-307X/25/5/022.
  11. ↑ Rafie Borujeny, E.; Sendetskyi, O.; Fleischauer, M. D.; Cadien, K. C. (2020). „Low Thermal Budget Heteroepitaxial Gallium Oxide Thin Films Enabled by Atomic Layer Deposition“. ACS Applied Materials & Interfaces. 12 (39): 44225–44237. doi:10.1021/acsami.0c08477. PMID 32865966.
  12. ↑ Green, Andrew J.; Speck, James; Xing, Grace; Moens, Peter; Allerstam, Fredrik; Gumaelius, Krister; Neyer, Thomas; Arias-Purdue, Andrea; Mehrotra, Vivek (2022-02-01). „β-Gallium oxide power electronics“. APL Materials. 10 (2): 029201. Bibcode:2022APLM...10b9201G. doi:10.1063/5.0060327.
  13. ↑ Yang, Duyoung; Kim, Byungsoo; Eom, Tae Hoon; Park, Yongjo; Jang, Ho Won (2022-03-01). „Epitaxial Growth of Alpha Gallium Oxide Thin Films on Sapphire Substrates for Electronic and Optoelectronic Devices: Progress and Perspective“. Electronic Materials Letters (англиски). 18 (2): 113–128. Bibcode:2022EML....18..113Y. doi:10.1007/s13391-021-00333-5. ISSN 2093-6788.
  14. ↑ Tsao, J. Y.; Chowdhury, S.; Hollis, M. A.; Jena, D.; Johnson, N. M.; Jones, K. A.; Kaplar, R. J.; Rajan, S.; Van de Walle, C. G. (2018). „Ultrawide‐Bandgap Semiconductors: Research Opportunities and Challenges“. Advanced Electronic Materials (англиски). 4 (1): 1600501. doi:10.1002/aelm.201600501. ISSN 2199-160X.
  15. ↑ Zhang, Yuewei; Alema, Fikadu; Mauze, Akhil; Koksaldi, Onur S.; Miller, Ross; Osinsky, Andrei; Speck, James S. (2019-02-01). „MOCVD grown epitaxial β-Ga2O3 thin film with an electron mobility of 176 cm2/V s at room temperature“. APL Materials. 7 (2): 022506. Bibcode:2019APLM....7b2506Z. doi:10.1063/1.5058059.
  16. ↑ Galazka, Zbigniew (2022-01-21). „Growth of bulk β-Ga2O3 single crystals by the Czochralski method“. Journal of Applied Physics. 131 (3): 031103. Bibcode:2022JAP...131c1103G. doi:10.1063/5.0076962. ISSN 0021-8979.
  17. ↑ „Substrates | Novel Crystal Technology, Inc“. www.novelcrystal.co.jp.
  18. ↑ Playford, Helen Y.; Hannon, Alex C.; Barney, Emma R.; Walton, Richard I. (2013). „Structures of Uncharacterised Polymorphs of Gallium triOxide from Total Neutron Diffraction“. Chemistry: A European Journal. 19 (8): 2803–13. doi:10.1002/chem.201203359. PMID 23307528.
  19. ↑ Li, Liandi; Wei, Wei; Behrens, Malte (July 2012). „Synthesis and characterization of α-, β-, and γ-Ga2o3 prepared from aqueous solutions by controlled precipitation“. Solid State Sciences (англиски). 14 (7): 971–981. Bibcode:2012SSSci..14..971L. doi:10.1016/j.solidstatesciences.2012.04.037.
  20. ↑ Boschi, F.; Bosi, M.; Berzina, T.; Buffagni, E.; Ferrari, C.; Fornari, R. (2015). „Hetero-epitaxy of ε-Ga2O3 layers by MOCVD and ALD“. Journal of Crystal Growth. 44: 25–30. doi:10.1016/j.jcrysgro.2016.03.013.
  21. ↑ Ebbing, Darrell D.; Gammon, Steven D. (2010) General Chemistry, 9th ed., Thomson Brooks/Cole. ISBN 0538497521
  22. ↑ Downs, Anthony John (ed.) (1993) The Chemistry of Aluminium, Gallium, Indium and Thallium.
  23. ↑ Zuckerman, J J and Hagen, A P eds. (2009) Inorganic Reactions and Methods, the Formation of Bonds to Halogens (Part 2), Wiley-VCH Verlag GmbH, ISBN 9780470145395
  24. ↑ Koch, H. F.; Girard, L. A.; Roundhill, D. M. (1999). „Determination of Gallium in a Cerium Surrogate and in Drops from a Copper Collector by ICP as Model Studies for the Removal of Gallium from Plutonium“. Atomic Spectroscopy. 20 (1): 30.
  25. ↑ Greenwood, N.N.; Emeleus, H. J. and Sharpe, A. G. (1963) "The chemistry of Gallium" in Advances in Inorganic Chemistry and Radiochemistry, Vol. 5, Elsevier, Academic Press
  26. ↑ King, R. B. (1994) Encyclopedia of Inorganic Chemistry.
  27. ↑ Cora, I (2017). „The real structure of ε-Ga2O3 and its relation to κ-phase“. CrystEngComm. 19 (11): 1509–1516. doi:10.1039/C7CE00123A.
  28. ↑ Fornari, R.; Pavesi, M.; Montedoro, V.; Klimm, D.; Mezzadri, F.; Cora, I.; Pécz, B.; Boschi, F.; Parisini, A. (2017-11-01). „Thermal stability of ε-Ga2O3 polymorph“. Acta Materialia (англиски). 140: 411–416. Bibcode:2017AcMat.140..411F. doi:10.1016/j.actamat.2017.08.062. ISSN 1359-6454.
  29. ↑ Deng, Huiyang; Leedle, Kenneth J.; Miao, Yu; Black, Dylan S.; Urbanek, Karel E.; McNeur, Joshua; Kozák, Martin; Ceballos, Andrew; Hommelhoff, Peter (April 2020). „Ga 2 O 3 ‐Based Optical Applications: Gallium Oxide for High‐Power Optical Applications (Advanced Optical Materials 7/2020)“. Advanced Optical Materials (англиски). 8 (7): 2070026. doi:10.1002/adom.202070026. ISSN 2195-1071.
  30. ↑ Nogales, E; Méndez, B; Piqueras, J; García, J A (2009-03-18). „Europium doped gallium oxide nanostructures for room temperature luminescent photonic devices“. Nanotechnology. 20 (11): 115201. Bibcode:2009Nanot..20k5201N. doi:10.1088/0957-4484/20/11/115201. ISSN 0957-4484. PMID 19420434.
  31. ↑ 31,0 31,1 Li, Wenshen; Nomoto, Kazuki; Hu, Zongyang; Jena, Debdeep; Xing, Huili Grace (January 2020). „Field-Plated Ga2O3 Trench Schottky Barrier Diodes With a BV2/ $R_\texton,sp$ of up to 0.95 GW/cm2“. IEEE Electron Device Letters. 41 (1): 107–110. doi:10.1109/LED.2019.2953559. ISSN 1558-0563. Грешка во наводот: Неважечка ознака <ref>; називот „:4“ е зададен повеќепати со различна содржина.
  32. ↑ 32,0 32,1 Xia, Zhanbo; Xue, Hao; Joishi, Chandan; Mcglone, Joe; Kalarickal, Nidhin Kurian; Sohel, Shahadat H.; Brenner, Mark; Arehart, Aaron; Ringel, Steven (July 2019). „β -Ga2O3 Delta-Doped Field-Effect Transistors With Current Gain Cutoff Frequency of 27 GHz“. IEEE Electron Device Letters. 40 (7): 1052–1055. Bibcode:2019IEDL...40.1052X. doi:10.1109/LED.2019.2920366. ISSN 1558-0563. Грешка во наводот: Неважечка ознака <ref>; називот „Xia 1052–1055“ е зададен повеќепати со различна содржина.
  33. ↑ Higashiwaki, Masataka; Sasaki, Kohei; Kuramata, Akito; Masui, Takekazu; Yamakoshi, Shigenobu (2012-01-02). „Gallium oxide (Ga2O3) metal-semiconductor field-effect transistors on single-crystal β-Ga2O3 (010) substrates“. Applied Physics Letters. 100 (1): 013504. Bibcode:2012ApPhL.100a3504H. doi:10.1063/1.3674287. ISSN 0003-6951.
  34. ↑ Wang, Chenlu; Gong, Hehe; Lei, Weina; Cai, Yuncong; Hu, Zhuangzhuang; Xu, Shengrui; Liu, Zhihong; Feng, Qian; Zhou, Hong (April 2021). „Demonstration of the p-NiOx/n-Ga2O3 Heterojunction Gate FETs and Diodes With BV2/Ron,sp Figures of Merit of 0.39 GW/cm2 and 1.38 GW/cm2“. IEEE Electron Device Letters. 42 (4): 485–488. Bibcode:2021IEDL...42..485W. doi:10.1109/LED.2021.3062851. ISSN 1558-0563.
  35. ↑ 35,0 35,1 Saha, Chinmoy Nath (2022-11-02). „Beta-Ga2O3 MOSFETs with near 50 GHz fMAX and 5.4 MV/cm average breakdown field“. |arxiv= required (help)Saha, Chinmoy Nath; Vaidya, Abhishek; Bhuiyan, A. F. M. Anhar Uddin; Meng, Lingyu; Zhao, Hongping; Singisetti, Uttam (2 November 2022).
Преземено од „https://mk.wikipedia.org/wiki/Галиум_(III)_оксид“