酸化ガリウムとは
酸化ガリウムとは、Ga2O3という化学式で定義される無機化合物です。
化学的に安定な物質なので、SDSでの消防法他法令による規制化合物の指定はなく、CAS登録番号は12024-21-4です。分子量は187.44で、直射日光を避けたガラスなどの安全な容器に保管することを推奨されています。保存すべき環境としては、温度が涼しく喚気の良い場所にガラス瓶に密閉して保管するのが望ましいです。
酸化ガリウムの使用用途
酸化ガリウムは、照明用のLED (英: Light-Emitting Diode: 発光ダイオード) に使用する基板の原料として使われています。
そのほか、酸化ガリウムを使ったパワー半導体素子 (電力変換用スイッチング素子など) は、従来、使用されていた炭化ケイ素からなる半導体素子と比較して、バンドギャップエネルギーが大きい利点を有します。そのため、酸化ガリウムは高温、高電圧動作可能なパワー半導体向けの使用用途として期待されています。
またβ-酸化ガリウム (III) は触媒関連の用途や光触媒関係の開発にも用いられています。
酸化ガリウムの性質
酸化ガリウムは塩酸などの多くの酸に溶けますが、水にはほとんど溶けません。酸化ガリウム (III) は、5つの違う形を持ち、その中でもβ-酸化ガリウム (III) が最も安定した形です。そのβ-酸化ガリウム (III) の融点は1740℃です。
酸化ガリウムのバンドギャップエネルギーは大きいので、絶縁破壊電圧を大きくとることが可能です。具体的にはワイドバンドギャップ半導体として実用化が進む SiC(炭化ケイ素)の3.26eVやGaN(窒化ガリウム)3.39eVと比較して、β-酸化ガリウム (III)の場合にはその値は4.5eVから4.9eVと非常に大きいです。
バンドギャップエネルギーが大きい材料物性を利用して半導体素子を作成した場合に高い電圧まで非破壊で動作可能なメリットを有しますが、一方で欠点もあります。β型の酸化ガリウムは、放熱性が良くない点や、α型も含めて酸化ガリウムではP型の半導体が作成困難な点があげられます。パワー半導体向けの放熱性の改善については、構造や内部に酸化ニッケル等を用いて熱抵抗を下げる工夫が実施されています。
酸化ガリウムの構造
5種類の異形の酸化ガリウム (III) の中で、β -酸化ガリウム (III) は、最も安定しています。最密充填構造配列を有した構造に特徴を有し、八面体もしくはひずみ四面体構造を形成しています。
β-酸化ガリウム(III)の安定性の理由については、このような構造の歪みに起因しており、様々な使用用途に適した将来の有望な物性材料として期待されています。
酸化ガリウムのその他情報
1. 酸化ガリウムの合成法
酸化ガリウム (III) の合成法は酸性や塩基性のガリウム塩溶液を中和します。その際に生じる沈殿が生成物です。金属ガリウムの加熱や、硝酸ガリウム (III) を200-250℃で熱分解する合成方法もあります。
有機誘導体であるガリウム (III) を1000℃で加熱することで、β-Ga2O3は合成できます。原料には硝酸ガリウム (III) や、シュウ酸ガリウム (III) および 酢酸ガリウム (III) などがあげられます。
2. 酸化ガリウムのその他の結晶構造
α-Ga2O3はβ-Ga2O3を、65kbar、1,100℃で1時間加熱して得られます。α-Ga2O3の水和物は、500℃で水酸化ガリウムを分解することにより生成します。
γ-Ga2O3はゲル状の水酸化ガリウムを、400から500 ℃で急速に加熱すると得ることが可能です。δ-Ga2O3は硝酸ガリウム(III)を、250℃で加熱して得られます。ε-Ga2O3はδ-Ga2O3を、30分間550℃で加熱することで生成します。
3. 酸化ガリウムのナノ構造
酸化ガリウム (III) のナノリボンやナノシートは、Ga0と水を高温で反応させるか、高温の酸素雰囲気下で窒化ガリウムを蒸発させると合成可能です。
これらは単結晶であり、走査型電子顕微鏡 (SEM) により反応物はシート状構造、またはワイヤー状構造であることが示され、透過型電子顕微鏡 (TEM) 写真によって酸化ガリウム (III) がリボン状構造であることが判明しています。
参考文献
https://labchem-wako.fujifilm.com/sds/W01W0107-0453JGHEJP.pdf
https://www.j-platpat.inpit.go.jp/p0200