[发明专利]一种超宽禁带二维半导体GaPS4

说明书

本发明提供了一种超宽禁带二维半导体GaPS₄的制备方法，将镓源，磷源和硫源混合后，采用“预生长再重结晶法”得到透明的GaPS₄单晶材料。所述“预生长再重结晶法”为先通过热端高温反应，冷端回流硫磷液体生成GaPS₄前驱体，再通过冷热端交换的化学气相传输法提纯得到结晶质量高的GaPS₄单晶材料；所述超宽禁带二维半导体GaPS₄由所述GaPS₄单晶材料剥离得到。本发明提供的制备方法反应条件温和，操作简单方便，成本低。

技术领域

本发明涉及宽禁带半导体材料领域，具体涉及一种超宽禁带二维半导体GaPS₄的制备方法。

背景技术

与第一代和第二代半导体材料相比，宽禁带半导体材料具有宽频带隙、高击穿电场、高导热性、高电子饱和率和更高的抗辐射性能。因此，更适合制作高温、高频、抗辐射、大功率器件。目前，已经广泛研究的宽禁带半导体有SiC、金刚石、ZnO和GaN，它们都属于三维材料。因此，其表面和界面的悬键将可能成为俘获态或散射中心，阻碍了载流子在通道中的有效传输，导致器件的性能低。

与现有三维材料相比，二维层状半导体的独特结构使之成为下一代纳米器件中的关键元件，例如，原子级光滑且无悬键的表面可抑制界面的载流子散射，促使高性能稳定器件容易制造；层间的弱范德华相互作用和层内强共价键适用于高度柔性和透明的器件；亚纳米厚度将产生了各种各样的量子效应，有利于量子技术的进步。随着对二维半导体研究的不断深入，人们开始探索新的二维层状材料。目前已被大量研究的无机层状化合物集中在窄带隙半导体(带隙Eg2eV)，如MoS₂、WSe₂和黑磷。然而，宽带隙半导体(Eg2eV)，特别是超宽禁带半导体(Eg3.4eV)，在电子、光电子和电力工业中都非常重要。对于成像和照明等与可见光相关的应用，宽带隙半导体也是必不可少的。另外，从工业的角度来看，为了推动纳米器件的下一次革命，宽禁带二维半导体的发展与窄禁带二维半导体具有同等的重要性。

然而，超宽禁带二维半导体主要有h-BN和云母，它们的超宽禁带、介电特性和原子平面特性，通常用作高迁移率2D器件的衬底。因此，进一步开发具有超宽能隙的二维宽禁带半导体，丰富二维宽禁带半导体材料库，具有重要意义。

发明内容

因此，本发明提供一种超宽禁带二维半导体GaPS₄的制备方法，具体包括以下步骤：

S10：将镓源、磷源和硫源混合均匀，得到混合物；

S20：将所述混合物真空封入容器内，得到含混合物的密闭容器；所述含混合物的密闭容器设有第一端和与所述第一端对应的第二端；

S30：将所述含混合物的密闭容器倾斜放置在加热设备中，使所述第一端高于所述第二端；所述加热设备设有第一温区和第二温区，所述第一端位于所述第一温区，所述第二端位于所述第二温区；

S40：对所述含混合物的密闭容器采用预生长再重结晶的方法，加热生长得到GaPS₄单晶材料。

进一步地，所述镓源为金属镓颗粒、金属镓条、液体金属镓中的任意一种；所述磷源为红磷、紫磷、白磷、黑磷、蓝磷中的任意一种；所述硫源为升华硫单质。作为优选，所述的镓源为液体金属镓，所述磷源为红磷。

进一步地，所述镓源、磷源、硫源的摩尔比为1:(0.95-1.05):(4-4.1)。作为优选，所述摩尔比为1：1：4.01。

进一步地，步骤S20中所述容器为石英管或密闭坩埚；所述真空的气压为10^-5-10^-2Pa。作为优选，所述容器为石英管，所述真空度为10^-3Pa。