산화갈륨(III), Gallium Oxide, Ga₂O₃

 

주요물성

분자량 : 187.4 g/mol, 녹는점 : 1725 ℃, 단사정계, 열용량 92.1 J/molK

백색 크리스탈 분말,

 

산화갈륨(III)은 화학식 Ga2O3 인 무기 화합물 및 초광대역 밴드갭 반도체(Ultra Wide Bandgap Semiconductor, UWBG)의 일종이다. 산화갈륨(III)은 전력 전자 장치, 형광체 및 가스 감지 분야 등 여러 분야에 이용되고 연구되고 있다. 산화갈륨은 α, β, γ, δ, ε ĸ상까지 여러 다형체가 있으며 그 중 단사정계(monoclinic) β상이 상온상업에서 가장 안정적이며 많이 이,용된다. β상의 밴드갭이 4.7–4.9eV이고 대면적의 천연 기판은 GaN 및 SiC 기반 전력 전자 반도체 분야와 태양열 블라인드 UV 광검출기에 등에 사용과 연구가 늘어나고 있다. 사방정계(orthorhombic) ĸ상은은 두 번째로 안정적인 상이다. 단 ĸ-phase는 열 노출 하에서도핑 밀도가 불안정해질 수 있다.산화갈륨(III)은 GaN 및 SiC에 비해 열전도율 및 전자 이동도가 조금 낮으나, 용융상태에서 성장할 수있는 유일한 와이드 밴드 갭 재료이기 때문에 비용면에서 훨씬 효율적일 수 있다. β상은은 방사선에 강하기 때문에 및 우주 응용 분야에 유망할 것으로 여겨진다. α상은 고압에서 가장 안정적이다. γ상은 γ-Al2O3와 유사한 결함 스피넬 구조를 갖는다. 금속 유기 증기상 에피택시에 의해 증착된 ε상상 필름은 사방정계 결정 대칭을 가진 원주 구조를 가진다.

 

제조 및 반응

산화갈륨(III)은 갈륨염을 산성 또는 염기성 용액에서 중화시 수화된 형태로 침전된다. 또한 공기 중에서 갈륨을 가열하거나 200-250 °C에서 질산 갈륨을 열분해하여 생성될 수 있다.

β상의 에피택셜 박막은 사파이어, GaN, SiC 및 Si와 같은 기판에 이종 에피택셜 방식으로 증착 될 수 있을 뿐만 아니라 호모 에피택셜 방식으로 증착될 수 있다. 증착의 예로 190 °C에서 550 °C 사이의 온도에서 사파이어 기판에서 Atomic Layer Deposition(ALD) 등이 있을 수으며, MBE, HVPE 및 MOVPE와 같은 기술을 사용하여서도 제조될 수 있다. HVPE는 빠른 성장률로 인해 수직 전력 반도체 장치에 선호되며, MOVPE에 의해 성장한 β상 에피택셜 필름은 다른 박막 성장 기술에 의해 성장한 것보다 더 높은 전자 이동성과 더 낮은 배경 캐리어 농도를 나타내기도 한다. 또한 이 외에도 다양한 방법으로 β상의 벌크 기판을 생산할 수 있다.

α상은 65kbar 및 1100°C에서 β상을 가열하여 얻을 수 있으며, 강옥(corundum) 구조를 가지고 있다. γ상은 수산화물 겔을 400-500°C에서 급속 가열하여 제조가능하며, 용융 열 합성에 의해 갈륨 금속에서 직접 제조 할 수도 있다. δ상은 250°C에서 Ga(NO3)3를 가열하여 얻어지며, ε상은 550°C에서 δ-Ga2O3를 가열하여 제조할 수 있다. ε상상의 박막은 550°C에서 650°C 사이의 온도에서 사파이어 기판에 트리메틸갈륨과 물을 사용하는 금속 유기 증기상 에피택시를 통해 증착된다.

산화갈륨(III)은 고온에서 알칼리 금속 산화물과 반응하여 NaGaO2를 형성하며, Mg, Zn, Co, Ni, Cu 산화물과 반응하여 스피넬(예 : MgGa2O4)구조의 결정을 형성할 수 있다.

또한 산화갈륨(III)은 HCl과 반응하여 삼염화 갈륨 GaCl3을 생성한다.

 

Ga2O3 + 6 HCl → 2 GaCl3 + 3 H2O

 

또한 산화갈륨(III)은 H2 에 의해 갈륨아산화물(산화갈륨(I))로 Ga2O로 환원될 수 있다.

 

그림. Gallium Oxide 주요 상의 구조(출처 : 교토대학교 FLOSFIA, 2018)

 

응용

산화갈륨(III)은 레이저, 형광체 및 발광 재료의 부품으로 사용되며 가스 센서, 파워 다이오드 및 트랜지스터의 등의 사용이 연구되고 있다. 2012년 1월 미국 국립정보통신기술연구소(National Institute of Information and Communications Technology)가 타무라(Tamura Co., Ltd.) 및 코하(Koha Co., Ltd.)와 공동으로 세계 최초의 단결정 산화갈륨(Ga2O3) 전계 효과 트랜지스터(Field Emmission Transistor)를 처음 발표하였다.

Monoclinic β-Ga2O3는 2012년 이후 성능이 지속적으로 향상되어 GaN 및 SiC 전력 소자와 유사한 성능을 보이고 있다. β-Ga2O3 쇼트키 다이오드는 2400 V이 넘는 항복전압을 보이기도 하였으며, β-Ga2O3 MOSFET은 개별적으로 27 GHz, 48 GHz 수준의 발진주파수를 보여주기도 하였다. 또한 사파이어에 증착된 ε-Ga2O3 박막은 태양열 블라인드 UV 광검출기로 응용이 연구되기도 하였다.