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Arseniuro di gallio
Caratteristiche generali
Formula bruta o molecolare	GaAs
Massa molecolare (u)	144,645
Numero CAS	1303-00-0
Numero EINECS	215-114-8
PubChem	14770 e 25032019
SMILES	[Ga]#[As]
Proprietà chimico-fisiche
Densità (g/cm3, in c.s.)	5,316 g/cm³
Temperatura di fusione	1238 °C
Indicazioni di sicurezza
Simboli di rischio chimico
	pericolo
Frasi H	301 - 331 - 410
Consigli P	261 - 301+310 - 304+340 - 321 - 405 - 501
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L'arseniuro di gallio è il composto binario covalente formato dal gallio con l'arsenico.^[3] È un composto non molecolare avente formula minima GaAs, dove sia il gallio che l'arsenico sono entrambi tetracoordinati e tetraedrici. L'arseniuro di gallio è un tipico semiconduttore del tipo III-V.^[4] Si presenta come un materiale cristallino di media durezza, 4,5 sulla scala di Mohs,^[5] sensibilmente meno del germanio (6,0) o del silicio (6,5),^[6] avente la struttura cubica della sfalerite (ZnS).^[7] Il cristallo di GaAs è strettamente isoelettronico a quello di germanio ed anche ad esso isostrutturale; ne differisce per il valore del band gap, che è circa il doppio, e per il fatto che esso è di tipo diretto,^[8] caratteristica di primaria importanza in applicazioni di optoelettronica.^[9]

Per queste caratteristiche e per essere caratterizzato da un'alta mobilità elettrica dei portatori liberi di carica (elettroni e lacune), trova applicazioni nei dispositivi elettronici ad alta velocità e nei dispositivi emettitori di luce (componenti per microonde, diodi LED e laser, componenti per lettori DVD e per radar automobilistici), nonché nelle celle fotovoltaiche.^[10]

Proprietà e struttura

L'arseniuro di gallio è un composto termodinamicamente stabile, la sua formazione dagli elementi è esotermica, anche se non di molto: ΔH_ƒ° = −87,7±0,5 kJ/mol.^[11]

L'arseniuro di gallio GaAs è formato dall'unione 1:1 di gallio, avente 3 elettroni esterni (4s² 4p¹), con l'arsenico con 5 elettroni esterni (4s² 4p³), a formare un cristallo in cui vi sono 8 elettroni di valenza per ogni coppia di atomi Ga e As, come accade per i cristalli isoelettronici di valenza di Ge, Si e C(diamante).^[7]^[12] La struttura cristallina cubica, analoga a quella del germanio, è composta da due sottoreticoli cubici a facce centrate, uno composto di atomi Ga e l'altro di As (entrambi gli atomi ibridati sp³), che sono sovrapposti con uno sfasamento di un quarto di diagonale.^[13] In tale struttura il lato della cella elementare cubica è a = 565,3 pm e la lunghezza dei legami Ga−As è di 245 pm.^[14]^[15]

Questa è la fase stabile di GaAs in condizioni ambiente, presente anche nel fosfuro di gallio, analogo semiconduttore III-V; tuttavia, per temperature di almeno 200 °C, diviene stabile una fase avente una struttura esagonale del tipo della wurtzite,^[16] che è l'altra struttura tipica dei semiconduttori III-V, struttura preferita dal nitruro di gallio^[17] e dal nitruro di alluminio.^[18]

A temperatura e pressione ambiente si presenta in forma di cristalli opachi di colore grigiastro, praticamente insolubili in acqua, alcool, o acetone, ma che si disciolgono in acidi minerali decomponendosi.^[19]

Il band gap diretto di GaAs ammonta a 1,424 eV a 300 K^[20] ed è maggiore, oltre che di quello del germanio (0,67 eV), anche di quello del silicio (1,1 eV); può essere confrontato inoltre con i corrispondenti valori di GaP (2,24 eV) e GaN (3,4 eV), i quali crescono man mano che il componente a 5 elettroni esterni diminuisce di numero atomico, aumentando quindi la sua elettronegatività.

Sintesi del composto

Il composto può essere sintetizzato in forma di monocristallo, allo scopo di produrre dei wafer, o come film sottile.

Per produrre l'arseniuro di gallio in forma monocristallina è possibile usare il processo Czochralski^[21], largamente utilizzato per produrre il silicio monocristallino. Un'altra possibilità è il metodo Bridgman-Stockbarger in cui la crescita del cristallo avviene all'interno di una fornace orizzontale, in cui vengono fatti reagire vapori di gallio e arsenico e il composto si deposita su un seme monocristallino.

Anche per produrre un film sottile esistono diverse possibilità:

Deposizione chimica da vapore, a partire da gallio metallico gassoso e tricloruro di arsenico: 2 Ga + 2 AsCl₃ → 2 GaAs + 3 Cl₂.^[22]
MOCVD da trimetilgallio e arsina: Ga(CH₃)₃ + AsH₃ → GaAs + 3 CH₄.^[23]
Epitassia da fasci molecolari da gallio e arsenico: 4 Ga + As₄ → 4 GaAs oppure 2 Ga + As₂ → 2 GaAs.

Note

^ scheda della sostanza su IFA-GESTIS (archiviato dall'url originale il 16 ottobre 2019).
^ Smaltire in accordo alle leggi vigenti.
^ Egon Wiberg, Nils Wiberg e A. F. Holleman, Anorganische Chemie, 103. Auflage, De Gruyter, 2017, p. 1404, ISBN 978-3-11-026932-1, OCLC 970042787. URL consultato il 12 giugno 2024.
^ (EN) Fundamentals of Semiconductors, DOI:10.1007/978-3-642-00710-1. URL consultato l'11 giugno 2024.
^ Gallium Arsenide (GaAs) - Mateck, su mateck.com. URL consultato il 12 giugno 2024.
^ Gregory V. Samsonov, Handbook of the Physicochemical Properties of the Elements, ISBN 978-1-4684-6066-7.
^ ^a ^b N. N. Greenwood e A. Earnshaw, Chemistry of the Elements, 2ª ed., Butterworth-Heinemann, 1997, pp. 255-256, ISBN 0-7506-3365-4.
^ Lecture 2: Electrons in semiconductors I (PDF), su The University of Liverpool, pp. 15-19.
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^ (EN) What Are the Applications of Gallium Arsenide Semiconductors? | Wafer World, su waferworld.com. URL consultato il 12 giugno 2024.
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