ヒ化ガリウム：構造、特性、用途、リスク - 化学 - 2025

ヒ化ガリウム、ガリウム原子元素（GA）とヒ素原子（As）をからなる無機化合物。その化学式はGaAsです。それは青緑色の金属の光沢を持つことができる濃い灰色の固体です。

この化合物のナノ構造は、エレクトロニクスの多くの分野でさまざまな用途の可能性が得られています。それは化学周期表におけるその元素の位置のために化合物III-Vと呼ばれる材料のグループに属しています。

GaAsナノ構造。ЯнаСычикова、СергейКовачёв/ CC BY-SA（https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0）。出典：ウィキメディア・コモンズ。

これは半導体材料であり、特定の条件下でのみ電気を伝導できることを意味します。トランジスタ、GPS、LEDライト、レーザー、タブレット、スマートフォンなどの電子機器で広く使用されています。

簡単に光を吸収して電気エネルギーに変換する特性があります。このため、衛星や宇宙船の太陽電池に使用されています。

それはそれらに損傷を与えることなく、さまざまな物質や生物にも浸透する放射線を発生させることができます。蛇の毒によって損傷した筋肉量を再生するGaAsレーザーの使用が研究されています。

しかし、それは有毒な化合物であり、人間や動物に癌を引き起こす可能性があります。埋立地に廃棄された電子機器は、危険なヒ素を放出し、人、動物、環境の健康に害を及ぼす可能性があります。

構造

ヒ化ガリウムは、周期表のIII族の元素とV族の元素の比率が1：1であるため、化合物III-Vと呼ばれます。

これは、ヒ素（As）とガリウム（Ga）で構成される金属間固体であり、酸化状態がGa ^（0） As ^（0）からGa ^（+3） As ^（-3）の範囲であると見なされます。

ヒ化ガリウム結晶。W.オエレン/ CC BY-SA（https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0）。出典：ウィキメディア・コモンズ。

命名法

• ガリウムヒ素
• モノヒ化ガリウム

プロパティ

体調

青緑色の金属光沢または灰色の粉末を含む濃い灰色の結晶性固体。その結晶は立方体です。

GaAs結晶。左：ポリッシュサイド。右：粗面。英語版ウィキペディアの材料科学者/ CC BY-SA（https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0）。出典：ウィキメディア・コモンズ。

分子量

144.64 g / mol

融点

1238ºC

密度

25°Cで5.3176 g / cm ³

溶解度

水中：20°Cで1 mg / mL未満

化学的特性

それは酸性塩を形成できる水和物を持っています。乾燥した空気中で安定です。湿った空気では、それは暗くなります。

蒸気、酸、酸性ガスと反応し、アルシン、アルサン、水素化ヒ素（AsH ₃）と呼ばれる有毒ガスを放出します。水素ガスを放出する塩基と反応する。

濃塩酸やハロゲンに侵されます。溶けると石英を攻撃します。濡れるとニンニク臭を発し、加熱分解すると有毒なヒ素ガスを発生します。

その他の物性

それは、それが受ける電界、圧力、温度、または放射などの条件に応じて、電気の導体または絶縁体として振る舞うことができることを意味する半導体材料です。

電子バンド間のギャップ

エネルギーギャップ幅は1,424 eV（電子ボルト）です。エネルギーギャップ、禁制帯、バンドギャップの幅は、原子の電子殻間の空間です。

エネルギーギャップが広いほど、電子が次のシェルに「ジャンプ」して半導体を伝導状態に変化させるために必要なエネルギーが大きくなります。

GaAsはシリコンよりもエネルギーギャップが広いため、放射線に対する耐性が高くなります。直接ギャップ幅でもあるため、ギャップ幅が間接的なシリコンよりも効果的に発光できます。

入手

水素（H ₂）とヒ素の混合ガスを酸化ガリウム（III）（Ga ₂ O ₃）の上に600°Cで通すことで得られます。

塩化ガリウム（III）（GaCl ₃）と酸化ヒ素（As ₂ O ₃）を800°Cで反応させることによっても調製できます。

太陽電池での使用

ヒ化ガリウムは、他の材料よりも優れた光起電力特性を備えているため、1970年代から太陽電池に使用されています。

太陽エネルギーを電気に変換することでシリコンよりも優れた性能を発揮し、太陽電池が耐える一般的な条件の2つである高熱または低光の条件下でより多くのエネルギーを提供します。

これらの太陽電池の一部は、太陽光発電の自動車、宇宙船、衛星に使用されています。

小型衛星のGaAs太陽電池。アメリカ合衆国海軍兵学校/パブリックドメイン。出典：ウィキメディア・コモンズ。

このアプリケーションにおけるGaAsの利点

湿気や紫外線に耐性があるため、環境条件に対してより耐久性があり、航空宇宙用途での使用が可能です。

温度係数が低いため、高温での効率を損なうことがなく、放射線の高線量蓄積に抵抗します。放射線による損傷は、わずか200°Cの焼戻しで取り除くことができます。

光の光子の吸収係数が高いため、暗い場所でも高い性能を発揮します。つまり、太陽からの照明が不十分な場合でも、エネルギーの損失はほとんどありません。

GaAs太陽電池は暗い場所でも効率的です。著者：Arek Socha。出典：Pixabay。

それは他のどの技術よりも単位面積あたりより多くのエネルギーを生成します。これは、航空機、車両、小型衛星などの小さなエリアがある場合に重要です。

これは柔軟で軽量な素材であり、非常に薄い層に適用された場合でも効率的であるため、太陽電池は非常に軽く、柔軟で効率的です。

宇宙船用太陽電池

宇宙計画は25年以上にわたってGaAs太陽電池を使用してきました。

GaAsとゲルマニウム、インジウム、リンの他の化合物との組み合わせにより、火星の表面を探索する車両で使用されている非常に高効率の太陽電池を得ることが可能になりました。

火星の好奇心探査機のアーティストバージョン。このデバイスはGaAsの太陽電池を持っています。NASA / JPL-Caltech /パブリックドメイン。出典：ウィキメディア・コモンズ。

GaAsの欠点

地上太陽電池への実用化の主な障壁となってきたシリコンに比べて、非常に高価な材料です。

しかし、非常に薄い層でそれらを使用する方法が研究されており、コストを削減します。

電子機器での使用

GaAsは、さまざまな電子デバイスで複数の用途があります。

トランジスタで

トランジスタは、他の用途の中でも、電気信号を増幅して回路を開閉する要素です。

トランジスタに使用されるGaAsは、シリコンよりも電子移動度が高く、抵抗率が高いため、より高いエネルギーとより高い周波数の条件を許容し、ノイズの発生を抑えます。

電力を増幅するために使用されるGaAsトランジスタ。Epop / CC0。出典：ウィキメディア・コモンズ。

GPSについて

1980年代にこの化合物を使用することにより、全地球測位システムまたはGPS（全地球測位システム）受信機の小型化が可能になりました。

このシステムは、センチメートルの精度で地球全体の物体または人の位置を決定することを可能にします。

ヒ化ガリウムはGPSシステムで使用されます。著者：Foundry Co.出典：Pixabay。

光電子デバイス

比較的低温で得られたGaAs膜は、高抵抗（導体になるには高エネルギーが必要）や高速電子移動などの優れた光電子特性を持っています。

その直接的なエネルギーギャップにより、このタイプのデバイスでの使用に適しています。それらは、LEDライト、レーザー、検出器、発光ダイオードなど、電気エネルギーを放射エネルギーに、またはその逆に変換するデバイスです。

LED懐中電灯。ヒ化ガリウムを含む場合があります。著者：Hebi B.出典：Pixabay。

特別な放射線で

この化合物の特性により、テラヘルツの周波数の放射を生成するための使用が促進されました。テラヘルツは、金属と水を除くすべてのタイプの材料を透過できる放射です。

テラヘルツ放射線は非電離性であるため、身体の組織に損傷を与えたり、X線のようなDNAの変化を引き起こしたりしないため、医用画像の取得に適用できます。

これらの放射線はまた、人や荷物の中に隠された武器を検出することを可能にし、化学および生化学の分光分析法で使用でき、非常に古い建物の隠された芸術作品を発見するのに役立ちます。

潜在的な医療

あるタイプのGaAsレーザーは、ある種のマウスのヘビ毒によって損傷した筋肉量の再生を促進するのに役立つことが示されています。ただし、人間での有効性を判断するには、研究が必要です。

さまざまなチーム

磁気抵抗デバイス、サーミスタ、コンデンサ、光電子光ファイバデータ伝送、マイクロ波、衛星通信、レーダーシステム、スマートフォン（4Gテクノロジー）、タブレットのデバイスで使用される集積回路の半導体として使用されます。

スマートフォンの電子回路にはGaAsを含めることができます。著者：Arek Socha。出典：Pixabay。

リスク

それは非常に有毒な化合物です。この物質への長期または反復暴露は、身体の損傷を引き起こします。

暴露の症状には、低血圧、心不全、発作、低体温、麻痺、呼吸器浮腫、チアノーゼ、肝硬変、腎障害、血尿、白血球減少症などがあります。

それは癌を引き起こし、生殖能力を損なう可能性があります。動物に対しても毒性があり、発がん性があります。

有害廃棄物

電子デバイスでのGaAsの使用の増加により、環境におけるこの物質の運命と、公衆および環境の健康に対するその潜在的なリスクに関する懸念が生じています。

GaAs含有デバイスが都市の固形廃棄物埋立地に廃棄される場合、ヒ素放出（有毒で有毒な元素）の潜在的なリスクがあります。

研究によると、埋め立て地のpHとレドックス条件は、GaAsの腐食とヒ素の放出に重要であることがわかっています。pH 7.6で、通常の酸素雰囲気下では、この有毒な半金属の最大15％が放出されます。

GaAsは有毒なヒ素を放出する可能性があるため、電子機器は埋め立て処分しないでください。著者：INESby。出典：Pixabay。

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