Óxido de galio (III)

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El óxido de galio (III) es un compuesto inorgánico y un semiconductor de banda prohibida ultra ancha con la fórmula Ga2O3. Se estudia activamente para aplicaciones en electrónica de potencia, fósforos y detección de gases. El compuesto tiene varios polimorfos, de los cuales la fase β monoclínica es la más estable. La banda prohibida de la fase β de 4,7-4,9 eV y los sustratos nativos de gran área lo convierten en un competidor prometedor para las aplicaciones de electrónica de potencia basadas en GaN y SiC y los fotodetectores UV ciegos a la luz solar. El ĸ-Ga2O3 ortorrómbico es el segundo polimorfo más estable. La fase ĸ ha mostrado inestabilidad de la densidad de dopaje del subsuelo bajo exposición térmica. El Ga2O3 presenta una conductividad térmica y una movilidad de electrones reducidas en un orden de magnitud en comparación con el GaN y el SiC, pero se prevé que sea significativamente más rentable debido a que es el único material de banda ancha capaz de desarrollarse a partir de material fundido. Se cree que el β-Ga2O3 es resistente a la radiación, lo que lo hace prometedor para aplicaciones militares y espaciales.

Preparación

El trióxido de galio precipita en forma hidratada tras la neutralización de una solución ácida o básica de sal de galio. También se forma al calentar el galio en el aire o al descomponer térmicamente el nitrato de galio a 200–250 °C.

El Ga2O3 cristalino puede presentarse en cinco polimorfos: α, β, γ, δ y ε. De estos polimorfos, el β-Ga2O3 es la fase termodinámicamente más estable a temperatura y presión estándar, mientras que el α-Ga2O3 es el polimorfo más estable a altas presiones.

  • β-Ga2O3 Las películas delgadas epitaxiales pueden depositarse heteroepitaxialmente en sustratos como zafiro, GaN, SiC y Si, así como homoepitaxialmente. Por ejemplo, se ha demostrado ALD sobre sustratos de zafiro a temperaturas entre 190 °C y 550 °C. Alta calidad β-Ga2O3 También se han desarrollado películas usando técnicas como MBE, HVPE y MOVPE. HVPE es preferido para dispositivos semiconductores de potencia vertical debido a su velocidad de crecimiento rápido. β-Ga2O3 películas epitaxiales cultivadas por MOVPE exhiben mayores movilidades de electrones y concentraciones inferiores de portador de fondo que las cultivadas por otras técnicas de crecimiento delgado.

Se pueden producir sustratos a granel de β-Ga2O3, lo que constituye una de las principales ventajas de este sistema de materiales. Los sustratos a granel se pueden producir en múltiples orientaciones y mediante múltiples técnicas.

Diagrama de cómo el óxido de galio se cultiva por el método Czochralski
  • α-Ga2O3 se puede obtener por calefacción β-Ga2O3 a 65 kbar y 1100 °C. Tiene una estructura de corundum. La forma hidratada se puede preparar descomponiendo el hidroxido de galio precipitado y "envejecido" a 500 °C.2O3 depositado en c-plane (0001), m-plane (1010), o un avión (112Se han demostrado sustratos de zafiro.
  • γ-Ga2O3 se prepara calentando rápidamente el gel hidroxido a 400–500 °C. Una forma más cristalina de este polimorfo se puede preparar directamente desde el metal de gallium por una síntesis solvotermal.
  • δ-Ga2O3 se obtiene por calefacción Ga(NO3)3 a 250 °C.
  • ε-Ga2O3 está preparado por calefacción δ-Ga2O3 a 550 °C. Películas gruesas de ε-Ga2O3 se depositan por medio de la epitaxia vapour-fase metálica utilizando trimetilgalio y agua en sustratos de zafiro a temperaturas entre 550 y 650 °C

Reacciones

El trióxido de galio (III) es anfótero. Reacciona con óxidos de metales alcalinos a alta temperatura para formar, por ejemplo, NaGaO2, y con óxidos de Mg, Zn, Co, Ni y Cu para formar espinelas, por ejemplo, MgGa2O4. Se disuelve en un álcali fuerte para formar una solución del ion galato, Ga(OH)−
4.

Con HCl se forma tricloruro de galio GaCl3.

Ga2O3 + 6 HCl → 2 GaCl3 + 3 H2O

Puede reducirse a subóxido de galio (óxido de galio (I)) Ga2O mediante H2 o por reacción con galio metálico:

Ga2O3 + 2 H2 → Ga2O + 2 H2O
Ga2O3 + 4 Ga → 3 Ga2O

Estructura

β-Ga2O3, con un punto de fusión de 1900 °C, es la modificación cristalina más estable. Los iones de óxido se encuentran en una disposición de empaquetamiento cúbico distorsionado, y los iones de galio (III) ocupan sitios tetraédricos y octaédricos distorsionados, con distancias de enlace Ga–O de 1,83 y 2,00 Å respectivamente.

El α-Ga2O3 tiene la misma estructura (corindón) que el α-Al2O3, en la que los iones Ga tienen una coordinación 6.

El γ-Ga2O3 tiene una estructura de espinela defectuosa similar a la del γ-Al2O3.

Las películas de ε-Ga2O3 depositadas por epitaxia en fase vapor de compuestos metalorgánicos muestran una estructura columnar con simetría cristalina ortorrómbica. Macroscópicamente, esta estructura se observa mediante cristalografía de rayos X como un empaquetamiento compacto hexagonal.

κ-Ga2O3 tiene una estructura ortorrómbica y se forma con dominios gemelos de 120°, lo que da como resultado una simetría hexagonal que a menudo se identifica como ε-Ga2O3.

Phase of Ga2O3Gráfico Nombre de la estructura cristalina
α
Estructura de cristal de α-Ga2O3

Rimboedral (Cordón)

β
Estructura de cristal de β-Ga2O3
Monoclinic
γ
Estructura de cristal de γ-Ga2O3
Espina de defecto cúbico
δ
Estructura de cristal de δ-Ga2O3
Bixbyito cúbico centrado en el cuerpo
ε
Estructura de cristal de ε-Ga2O3
Hexagonal
κ (subgroup of ε phase)
Estructura de cristal de κ-Ga2O3
Orthorhombic

Aplicaciones

El óxido de galio (III) se ha estudiado para su uso como componente pasivo en láseres, fósforos y materiales luminiscentes, así como como componente activo para sensores de gas, diodos de potencia y transistores de potencia. Desde la primera publicación en enero de 2012 por parte del Instituto Nacional de Tecnología de la Información y las Comunicaciones, en colaboración con Tamura Co., Ltd. y Koha Co., Ltd. de los primeros transistores de efecto de campo de óxido de galio (Ga2O3) monocristalinos del mundo, el interés predominante en el óxido de galio se centra en el polimorfo β para la electrónica de potencia.

El β-Ga2O3 monoclínico ha mostrado un rendimiento creciente desde 2012, acercándose a los dispositivos de potencia de GaN y SiC de última generación. Los diodos Schottky β-Ga2O3 han superado los voltajes de ruptura de 2400 V. Los diodos p–n β-Ga2O3/NiOx han exhibido voltajes de ruptura superiores a 1200 V. Los MOSFET β-Ga2O3 han alcanzado individualmente valores de fT de 27 GHz, fMAX de 48 GHz y un campo de ruptura promedio de 5,4 MV/cm. Este campo supera el que es posible en SiC o GaN.

Las películas delgadas

de ε-Ga2O3 depositadas sobre zafiro muestran aplicaciones potenciales como fotodetectores UV insensibles a la luz solar.

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