CN112038442B - 一种光电探测器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种光电探测器及其制备方法，涉及光电探测器技术领域。光电探测器包括衬底、由金属薄膜层快速退火形成的金属纳米颗粒层、金属籽晶层、金属纳米线阵列、绝缘材料、第一金属电极和第二金属电极。本发明提供的光电探测器及其制备方法，通过在金属籽晶层和金属纳米线阵列之间插入金属纳米颗粒层，能够提高光电探测器中光生电子空穴对的分离速率，进而提高光照响应速度；通过改变金属薄膜层的材质、厚度、退火温度、退火时间和退火气体氛围，能够改变金属纳米颗粒层的性质，进而提高光电探测器对入射光的吸收准确性，并实现对入射光波长吸收范围的可调谐。

Description

一种光电探测器及其制备方法
技术领域
本发明涉及光电探测技术领域，特别是涉及一种光电探测器及其制备方法。
背景技术
光电探测器在军事通信、人体运动传感器、傅里叶变换红外光谱、医疗环境监测、远程控制、温度传感、热成像等领域有着广泛的应用，近年来受到越来越多的关注。目前大多数光电探测器都是基于窄带隙半导体材料，例如砷化铟、锑化铟、砷化钾及硫化铅等。然而，这类探测器面临了几个挑战，首先，上述窄带隙半导体材料的生长通常都是复杂且对环境不友好的，增大了它们与其他材料制成异质结的难度；其次，这些窄带隙半导体材料对红外波段的光有响应的同时，对波长短于红外波长的光也有很大的响应，这降低了在实际使用中光电探测器的探测精准性；最后，以往的光电探测器受结构限制，只能在固定的光谱范围内有较高响应度，要想具有波长选择性必须配合滤光器使用，不能仅通过光电探测器的现有结构实现波长的可调谐。
除了上述基于窄带隙半导体材料的光电探测器外，现有还存在基于第三代半导体材料氧化锌的光电探测器，其具有优越的热释电性能、高的激子结合能，化学稳定性好，易于制备且环境友好等优点，被广泛用于制备光电子器件。氧化锌与金属材料结合形成异质结制成的光电探测器也已被广泛研究，但是其不能保证探测精准性，为实现波长的可调谐也仍需要配合滤光器。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种光电探测器及其制备方法。在光电探测器的衬底和氧化锌纳米线阵列之间插入了由金属薄膜层经快速退火处理形成的金属纳米颗粒层。通过改变金属薄膜层的材质、厚度，或者通过改变退火处理的退火温度、退火时间、退火气体氛围，可提高光电探测器自身的光照响应速度，同时改变光电探测器对不同波长入射光的吸收能力，在无需配合滤光器的情况下，就可实现光电探测器的入射光波长可调谐。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种光电探测器，包括：
衬底，正面抛光；
金属纳米颗粒层，通过对金属薄膜层快速退火处理得到；先在所述衬底的正面沉积一层所述金属薄膜层，所述金属薄膜层完全覆盖所述衬底的正面；所述金属薄膜层在设定退火条件下经快速退火处理得到所述金属纳米颗粒层；所述金属纳米颗粒层包括多个间隔排布的金属纳米颗粒；通过改变所述退火条件，实现所述光电探测器对入射光波长的可调谐；
氧化锌籽晶层，沉积于多个所述金属纳米颗粒上；所述氧化锌籽晶层的厚度大于或者等于金属纳米颗粒的直径，当氧化锌籽晶层覆盖于金属纳米颗粒上表面后，金属纳米颗粒不露出于氧化锌籽晶层的上表面；
氧化锌纳米线阵列，为所述氧化锌籽晶层在设定条件下于生长溶液中生长所得；将依次沉积有氧化锌籽晶层和金属纳米颗粒层的所述衬底倒置放入生长溶液中，在设定的生长条件下，所述氧化锌籽晶层倒置，在氧化锌籽晶层表面垂直向下生长出氧化锌纳米线阵列；
所述氧化锌纳米线阵列与所述氧化锌籽晶层直接接触的面为所述氧化锌纳米线阵列的下表面，与其相对的另一面为所述氧化锌纳米线阵列的上表面；
绝缘材料，填充于所述氧化锌纳米线阵列的间隙中；所述绝缘材料的厚度小于所述氧化锌纳米线阵列的上表面和下表面之间的距离；
第一金属电极，沉积并完全覆盖于所述氧化锌纳米线阵列的上表面；
第二金属电极，位于与所述衬底的正面相对的衬底的背面。
所述衬底为P型硅片，所述硅片的电阻率为1~40Ω·cm，厚度为725μm，晶向为<111>。
所述退火条件包括退火温度、退火时间和退火气体氛围。
采用溅射法沉积所述金属薄膜层和所述氧化锌籽晶层。
采用水热法在所述氧化锌籽晶层的表面生长出所述氧化锌纳米线阵列。
采用等离子体刻蚀方法刻蚀所述绝缘材料的上表面，使所述绝缘材料的厚度小于所述氧化锌纳米线阵列的上表面与下表面之间的距离。
采用旋涂法、蒸镀法、溅射法的其中一种，将所述绝缘材料填充于所述氧化锌纳米线阵列的间隙中。
所述第二金属电极的面积为所述衬底背面的面积的25%-80%。
一种光电探测器的制备方法，包括：
将衬底的正面抛光，在所述衬底的正面沉积一层金属薄膜层，所述金属薄膜层将所述衬底的正面完全覆盖；在设定退火条件下，对所述金属薄膜层做快速退火处理得到完全覆盖于所述衬底正面的金属纳米颗粒层；所述金属纳米颗粒层包括多个间隔排布的金属纳米颗粒；
在多个金属纳米颗粒上沉积一层氧化锌籽晶层；将依次沉积有金属纳米颗粒层和氧化锌籽晶层的衬底倒置放入生长溶液中，所述氧化锌籽晶层倒置，在所述氧化锌籽晶层表面垂直向下生长出氧化锌纳米线阵列；
将生长出氧化锌纳米线阵列的结构正放，将绝缘材料填充于氧化锌纳米线阵列的间隙中，减小绝缘材料的厚度，使氧化锌纳米线阵列的上表面高于绝缘材料的上表面；
将第一金属电极沉积并完全覆盖于氧化锌纳米线阵列的上表面；将第二金属电极沉积于衬底的背面，第二金属电极的面积小于衬底背面的面积；光电探测器制备完成；
改变退火条件，使通过金属薄膜层得到的金属纳米颗粒层的性质改变；入射光照射光电探测器时，金属纳米颗粒层性质的改变，使光电探测器对入射光波长的吸收能力改变；同时，金属纳米颗粒层性质的改变，使每个氧化锌纳米线内部由电子和空穴形成的内建电场分布改变，电子空穴对的分离速率改变，进而光电探测器的光照响应速度改变。
所述退火条件包括退火温度、退火时间和退火气体氛围。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明在衬底和金属纳米阵列之间插入了金属薄膜层经快速退火处理形成的金属纳米颗粒层；在非光照条件下，金属纳米颗粒内部的自由电子在晶体中移动，金属离子被束缚在晶格位置上；从整体看，金属纳米颗粒是电中性的，可将金属纳米颗粒看做是电荷密度很高的表面等离子体。
从波动光学角度看，光从光密介质入射到光疏介质满足菲涅尔定理时，会发生全反射，但全反射并不意味着光不会进入光疏介质，直接全部反射到光密介质中，而是光先透过光疏介质一个波长的深度，然后沿光疏介质与光密介质的界面流动半个波长的长度后，再返回到光密介质中。上述透过光疏介质的光波被称为消逝波。
消逝波会使金属纳米颗粒表面的自由电子产生表面等离子体，当表面等离子体与消逝波的频率相等时，二者会发生共振，进而会打破光从光密介质到光疏介质的全反射条件，金属纳米颗粒对入射光的吸收能力增强，进而光电探测器对入射光的吸收能力增强。
由于引起表面等离子体和消逝波共振的条件为：入射光的角度、入射波长、金属纳米颗粒的介电常数及电介质折射率、金属纳米颗粒的尺寸、密度。
因此：
1）在入射光角度和波长一定时，通过改变金属纳米颗粒的材质改变其性质，或者通过改变退火温度、退火时间和退火气体氛围改变金属纳米颗粒的尺寸、密度，可触发表面等离子体与消逝波的共振条件，进而提高金属纳米颗粒对入射光的吸收能力，进而提高光电探测器对入射光的吸收能力。
2）由于在入射光角度一定时，为触发表面等离子体与消逝波的共振条件，入射光波长与金属纳米颗粒的性质存在对应关系，因此通过改变金属纳米颗粒的性质，金属纳米颗粒对不同波长的入射光的吸收能力对应改变。在此基础上，通过选择不同的退火温度、退火时间以及退火气体氛围，就可直接根据上述对应关系，实现光电探测器对不同波长入射光的吸收。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例1中沉积于衬底抛光面的金属薄膜层相对于衬底的位置示意图；
图2为本发明实施例1中金属纳米颗粒层相对于衬底的位置示意图；
图3为本发明实施例1中镀于金属纳米颗粒层一面的氧化锌籽晶层相对于金属纳米颗粒层的位置示意图；
图4为本发明实施例1中氧化锌纳米线阵列相对于氧化锌籽晶层的位置示意图；
图5为本发明实施例1中将绝缘材料填充到氧化锌纳米线阵列空隙后，绝缘材料相对于氧化锌纳米线阵列的位置示意图；
图6为本发明实施例1中镀于衬底背面的第二金属电极与衬底相对位置的正视图；
图7为本发明实施例1中镀于衬底背面的第二金属电极与衬底相对位置的仰视图；
图8为本发明实施例1中光电探测器的整体结构示意图。
符号说明：
1-衬底、1.1-金属薄膜层、2-金属纳米颗粒层、3-氧化锌籽晶层、4-氧化锌纳米线阵列、5-绝缘材料、6-第一金属电极、7-第二金属电极。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
现有大多数的光电探测器采用窄带隙半导体材料制备而成，例如砷化铟、碲化铟、砷化钾及硫化铅等，一小部分的光电探测器采用第三代半导体材料氧化锌制备而成。窄带隙半导体材料的生长通常都很复杂且对环境不友好，利用这些材料制备异质结结构的难度较大，进而利用窄带隙半导体材料制备光电探测器的难度较大；第三代半导体材料氧化锌具有优越的热释电性能、高的激子结合能，化学稳定性好，易于制备且对环境友好，相比窄带隙半导体材料，利用第三代半导体材料制备光电探测器相对更容易。
但基于上述这些材料制备的光电探测器，在对红外波段的光有响应的同时，对红外波段的其他光也有很大的响应，这降低了利用上述这些材料制备的光电探测器在实际使用中对光波长吸收的准确性。
而且现有的光电探测器受结构限制，只能在固定的光谱范围内有较高的响应度，不能改变入射光的波长吸收范围，要想具有波长选择性必须额外配合使用滤光器。
为了解决上述问题，本发明提供了一种光电探测器及其制备方法。将金属薄膜层经快速退火处理形成的金属纳米颗粒层加入到了光电探测器的结构中，通过改变金属薄膜层的材质、厚度，或者通过改变金属薄膜层的退火温度、退火时间或退火气体氛围，可有效改变金属薄膜层的性质，进而改变金属纳米颗粒层的性质。由于金属纳米颗粒层性质的改变，可引起光电探测器对不同波长的光的吸收能力改变，不外加滤光器，就可直接通过光电探测器实现入射光波长吸收的可调谐。
且本发明中的光电探测器具有敏感波长可调谐、超宽光谱调谐范围、高选择比、自驱动、光谱响应度和探测率高、响应速度较快、结构简单易制备等优点。能够有效解决现有的光电探测器对入射光波长吸收不准确以及必须通过外加滤光器才能改变光电探测器的入射光波长吸收范围的问题。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例1：
本发明中的光电探测器包括以下几个部分：衬底1、金属纳米颗粒层2、氧化锌籽晶层3、氧化锌纳米线阵列4、绝缘材料5、第一金属电极6和第二金属电极7。
如图1-图8为本发明实施例1中光电探测器制备时各层结构间的位置关系示意图。结合图1-图8，本发明实施例1中光电探测器的具体制备过程为：
先将衬底1的一面抛光，在其抛光面上沉积一层金属薄膜层1.1，该金属薄膜层1.1将衬底1的抛光面完全覆盖；利用快速退火技术在设定退火条件下对衬底1抛光面上的金属薄膜层1.1做快速退火处理；设定退火条件包括退火温度、退火时间和退火气体氛围。
其中的快速退火技术是指用各种热辐射源，直接照射在样品表面上（本发明实施例1中是直接照射在沉积在衬底1抛光面上的金属薄膜层1.1），迅速将样品加热至700~1200℃左右，在几秒~几十秒的时间内完成退火。
在对金属薄膜层1.1做快速退火处理后，金属薄膜层1.1会变为金属纳米颗粒层2，进而由沉积有金属薄膜层1.1的抛光面变为了沉积有金属纳米颗粒层2的抛光面。金属纳米颗粒层2包括多个间隔分布的金属纳米颗粒。
之后在金属纳米颗粒层2的上表面沉积一层氧化锌籽晶层3，使氧化锌籽晶层3完全渗透且均匀致密分布到多个金属纳米颗粒上；所述氧化锌籽晶层3的厚度大于或者等于金属纳米颗粒的直径，当氧化锌籽晶层3覆盖于金属纳米颗粒上表面后，金属纳米颗粒不露出于氧化锌籽晶层3的上表面；
待经上述过程得到在衬底1抛光面上依次沉积有金属纳米颗粒层2和氧化锌籽晶层3的结构后，在该结构中衬底1的两个对称侧面分别用生料带缠出类似小翅膀形状的两端，并将该结构倒置过来，使氧化锌籽晶层3的上表面垂直向下；配置生长溶液，将倒置的结构置于生长溶液中，使氧化锌籽晶层3的上表面浸入生长溶液中；生料带缠出的两端能够增大衬底1与生长溶液的接触面积，使衬底1漂浮于生长溶液表面；利用水热法在设定条件下对浸入生长溶液中的氧化锌籽晶层3做水热处理，使氧化锌籽晶层3的上表面垂直向下生长出氧化锌纳米线阵列4；该氧化锌纳米线阵列4包含多个间隔分布的氧化锌纳米线。
之后将绝缘材料5填充到氧化锌纳米线阵列4的间隔中。利用等离子体刻蚀方法对绝缘材料5的上表面做刻蚀处理，使绝缘材料5的厚度小于氧化锌纳米线阵列4的高度，其目的是使氧化锌纳米线阵列4中各氧化锌纳米线的上表面均高于绝缘材料5，便于在氧化锌纳米线阵列4的上表面沉积第一金属电极6。
在利用等离子体刻蚀技术对绝缘材料5刻蚀，使绝缘材料5的厚度低于氧化锌纳米线阵列4的高度后，在氧化锌纳米线阵列4的上表面沉积一层第一金属电极6，第一金属电极6与氧化锌纳米线阵列4的上表面直接且完全接触；之后在与衬底1的抛光面相对的非抛光面沉积一层第二金属电极7，第二金属电极7的面积小于非抛光面的面积。
至此，本发明实施例1中的光电探测器制备完成。
如上介绍了光电探测器的大致结构以及制备方法，接下来将通过实施例2中的具体方案对解决现有技术问题的原理做详细的解释说明。
实施例2：
选用电阻率为1~40Ω·cm、厚度为725μm、晶向为<111>的单面抛光P型硅作为衬底1，该衬底1的尺寸可根据需求做任意调整。
配置NH4F、H2O和HF的混合溶液，其中NH4F为40g、H2O为60ml、HF为18ml；将硅片浸泡于配置好的溶液中40~60s，用于去除硅衬底1表面被氧化形成的二氧化硅。待浸泡完成后，将硅片取出，用超纯水反复冲洗3~5遍，然后用气体吹干表面残留液体；将吹干后的硅片先后放入到丙酮、异丙醇和超纯水中超声清洗5~10分钟，放入前均需先通过气体吹干表面残留液体；最后将硅片取出并用气体吹干；用于吹干硅衬底1表面的气体为氮气。
在将硅衬底1表面吹干后，将金属薄膜层1.1完全覆盖于硅衬底1的抛光面，本发明实施例2中选用的金属薄膜层1.1材料为Ag、Cu、Au的任一种。当然，由于不同金属材料对应着不同的入射光吸收波长，因此可通过选用不同的金属薄膜层1.1材料，实现光电探测器入射光波长吸收的可调谐。
本发明实施例2中是通过磁控溅射设备在硅衬底1表面沉积厚度为3-15nm的金属薄膜层1.1，溅射靶材为2英寸的Ag、Cu、Au等贵金属靶材，溅射温度为20-40℃，溅射功率为15-30W，溅射时间为10-100s；优选的，所用溅射靶材为Au靶，溅射温度为25℃，溅射功率为20W，溅射时间为60s，金属薄膜层1.1厚度为9nm。
经上述处理后，金属薄膜层1.1完全覆盖于硅衬底1的抛光面；之后使用真空快速退火炉对金属薄膜层1.1做快速退火处理，退火温度为200-500℃，退火时间为20-60min，退火速度为0.3-100℃/min，退火气体氛围为氢气、氦气、氩气的任一种。优选的，所用退火温度为450℃，退火时间为30min，退火速度为15℃/min，退火气体氛围为氦气。经上述处理后，可得到一层均匀覆盖在硅衬底1抛光面上的Au纳米颗粒层，可通过改变退火温度、退火时间、退火速度、退火气体氛围改变退火条件，进而改变Au纳米颗粒层中Au纳米颗粒的直径和分布密度。
之后通过磁控溅射设备在Au纳米颗粒层的上表面溅射一层可完全覆盖Au纳米颗粒层上表面并恰好形成平整表面的氧化锌籽晶层3，本发明实施例2中选用的是氧化锌籽晶层。完全覆盖Au纳米颗粒层上表面并恰好形成平整表面的条件是：氧化锌籽晶层的厚度大于或者等于Au纳米颗粒层中Au纳米颗粒的直径，当氧化锌籽晶层覆盖于Au纳米颗粒层上表面后，Au纳米颗粒不露出于氧化锌籽晶层的上表面。
磁控溅射设备的溅射条件为：溅射靶材选用2英寸氧化锌靶，厚度根据Au纳米颗粒层中Au纳米颗粒的直径确定，溅射温度为90-120℃，溅射功率为50-70W，溅射时间为30-60min；优选的，所用溅射温度为100℃，溅射功率为50W，溅射时间为40min。
经上述处理后，先配置生长溶液，该生长溶液用于在氧化锌籽晶层的上表面生长出氧化锌纳米线阵列4。本发明实施例2中为在氧化锌籽晶层的上表面生长出氧化锌纳米线阵列。该生长溶液中包含0.025mol的醋酸锌和0.025mol的HMTA（六亚甲基四胺）。之后将镀有氧化锌籽晶层的硅衬底侧面对称位置用生料带缠出类似小翅膀形状的两端，并将衬底1倒置在生长溶液中；用生料带缠出的类似小翅膀形状的两端能够增大衬底1与生长溶液表面的接触面积，使衬底1漂浮在生长溶液表面；将生长条件设置为：生长温度为95-100℃、生长时间为2-2.5h，优选的，生长温度为95℃，生长时间为2h，通过水热法使氧化锌籽晶层垂直向下长出氧化锌纳米线阵列。
待氧化锌纳米线阵列在设定生长条件长出后，将整体结构正放回来，氧化锌纳米线阵列的上表面垂直向上；将绝缘材料5填充到氧化锌纳米线阵列的间隙中，并在氧化锌纳米线阵列的间隙中均匀致密分布。其中的绝缘材料5可以为氧化物、氮化物、有机高分子化合物等绝缘介质材料，本发明实施例2中选用的是SU-8胶体。其中的填充方法可以为旋涂法、蒸镀法、溅射法等，本发明实施例2中选用的是旋涂法。设定旋涂条件：低速为300-500rpm/min，高速为3000-4000rpm/min，低速的旋转时间为10-20s，高速的旋转时间为40-60s；本发明实施例2中选用的是低速400rpm/min，旋转15s，高速为4000rpm/min，旋转60s，先低速后高速，能够保证旋涂层的质量，并使SU-8胶体均匀致密地分布在氧化锌纳米线阵列的间隙中。
待旋涂完成后，通过等离子体刻蚀方法对SU-8胶体的上表面进行刻蚀，使SU-8胶体的上表面低于氧化锌纳米线阵列的上表面，即氧化锌纳米线阵列的上方露出SU-8胶体，以便后续在氧化锌纳米线阵列的上表面蒸镀第一金属电极6。
本发明实施例2中在旋涂完SU-8胶体后，将旋涂有SU-8胶体的整体结构放置于加热台上加热90s，使胶体固化；之后用氧气等离子体刻蚀机对SU-8胶体的上表面进行刻蚀，刻蚀机的功率为50-100W，氧气流量为0.3-0.4sccm/min，刻蚀时间为15-30min；本发明实施例2中选用的刻蚀机功率为100W，氧气流量为0.3sccm/min，刻蚀时间为30min。
待刻蚀完成后，在氧化锌纳米线阵列的上表面高于SU-8胶体上表面的部分蒸镀第一金属电极6，该第一金属电极6与氧化锌纳米线阵列露出SU-8胶体的部分直接且完全接触；并在与衬底1的抛光面相对的非抛光面上的任意位置蒸镀第二金属电极7，该第二金属电极7的面积为与衬底1的抛光面相对的非抛光面的面积的25%-80%；优选将第二金属电极7置于与衬底1的抛光面相对的非抛光面的中间位置。其中，第一金属电极6和第二金属电极7可以为Ag、ITO、Ti、Au等金属材料，本发明实施例2中选用的第一金属电极6材料为ITO，第二金属电极7材料为Ag。
待上述操作完成后，即得到了本发明实施例2中由ITO电极、氧化锌纳米线阵列、SU-8胶体、氧化锌籽晶层、Au纳米颗粒层、硅衬底1和Ag电极构成的光电探测器。
本发明中介绍的利用上述方法制备的光电探测器，能够有效解决现有的光电探测器在实际使用时准确性不高的问题，并可有效解决现有的光电探测器只有配合使用滤光器才能具有波长选择性这一缺陷。具体原理如下：
以本发明实施例2中选用的氧化锌纳米线阵列为例，氧化锌纳米线中的分子晶体结构是非对称的，当温度发生变化时，会导致氧化锌分子晶体的电荷中心发生变化，产生振荡的电偶极子，进而导致氧化锌分子的内部电子和空穴分离，并聚集在氧化锌纳米线阵列的上下两端，其中空穴会聚集在氧化锌纳米线阵列的上表面，内部电子会聚集在氧化锌纳米线阵列的下表面。聚集在氧化锌纳米线阵列上下两端的空穴和内部电子之间会形成内建电场，同时会产生热释电电流。
也就是说，在非光照条件下，包含氧化锌纳米线阵列这一结构的光电探测器的温度不发生变化，氧化锌纳米线阵列中的分子晶体呈电中性；在光照条件下，温度发生变化，使氧化锌分子的内部电子和空穴分离，随着温度变化的加剧，分离速度也会对应改变，使氧化锌纳米线阵列内形成内建电场，进而产生热释电电流。
从波动学角度来看，在光照条件下，光从光密介质入射到光疏介质且满足菲涅尔定理时，会发生全反射现象；但全反射并不意味着全部的入射光会被反射回光密介质中，而是入射光先透过光疏介质一个波长的深度，之后沿光疏介质与光密介质的界面流动半个波长的长度后，入射光再从光疏介质返回到光密介质中。上述透过光密介质入射到光疏介质的光波一般被称为消逝波。也就是说，在光照条件下，即使存在全反射现象，也会有部分消逝波入射到光电探测器的光疏介质中。
本发明在氧化锌纳米线阵列和氧化锌籽晶层之间插入了金属纳米颗粒层2，其中的金属纳米颗粒层2中包含多个金属纳米颗粒。在光照条件下，会在金属纳米颗粒层2中产生部分消逝波。消逝波会使金属纳米颗粒层2表面的自由电子产生表面等离子体，当表面等离子体与消逝波的频率相等时，二者会发生共振，进而会打破光从光密介质到光疏介质的全反射条件，金属纳米颗粒对入射光的吸收能力增强，使在光照条件下从外部入射到光电探测器中的光波的量增加，即光电探测器对入射光的吸收能力增强。
基于此，本发明中通过在氧化锌纳米线阵列和氧化锌籽晶层之间插入金属纳米颗粒层2，能够有效增强光电探测器对每一波段入射光的吸收能力，进而能够有效提高光电探测器的光电转换效率。
其次，在光照条件下，插入的金属纳米颗粒层2的表面会产生表面等离子体，这些表面等离子体能够改善光电探测器自身结构中硅衬底1与氧化锌纳米线阵列之间由能带分布差异产生的肖特基势垒；当表面等离子体与消逝波的频率相等，二者发生共振时，改善的肖特基势垒能够提升电子空穴对在硅衬底1和氧化锌纳米线阵列之间的传输速率，进而能够提升光电探测器中电子和空穴的分离速率，从而能够有效提高光电探测器的光照响应速度。
表面等离子体与消逝波的频率相等，即二者发生共振的条件是：入射光的角度、入射波长、金属纳米颗粒的介电常数及电介质折射率、金属纳米颗粒的尺寸、密度。其中，金属纳米颗粒的介电常数及电介质折射率、金属纳米颗粒的尺寸、密度为金属纳米颗粒的性质；由于金属纳米颗粒层2是金属薄膜层1.1经快速退火处理形成的，因此金属薄膜层1.1的性质和快速退火条件决定了金属纳米颗粒层2的性质。
基于此，当入射光的角度固定不变且满足表面等离子体与消逝波的共振条件时，入射波长与金属薄膜层1.1的性质和快速退火条件之间存在着关联关系。
当入射波长固定不变时，可通过改变金属薄膜层1.1的性质，例如金属薄膜层1.1的材质、厚度等，或者通过改变快速退火条件，例如退火温度、退火时间、退火气体氛围等，使满足表面等离子体与消逝波的共振条件，进而提升光电探测器的光照响应速度和对该波长入射光的吸收能力。
当入射波长不固定时，也可基于入射波长与金属薄膜层1.1的性质和快速退火条件之间存在的关联关系，通过调整金属薄膜层1.1的性质或快速退火条件，在满足共振条件的同时，实现不同波长入射光的吸收，进而既可实现光电探测器入射光波长的可调谐，又可有效提升光电探测器对入射光的吸收能力、光电转换效率和光照响应速度。
基于上述，本发明在光电探测器的氧化锌纳米线阵列4和氧化锌籽晶层3之间插入了金属薄膜层1.1经快速退火处理形成的金属纳米颗粒层2，通过改变金属薄膜层1.1的性质，或者通过改变快速退火条件，就可实现光电探测器对入射光波长的可调谐，解决了现有光电探测器实现入射光波长可调谐必须配合使用滤光器的问题；且能够有效提升光电探测器对入射光的吸收能力、光电转换效率和光照响应速度，解决了现有的光电探测器对入射光波长吸收准确性不高的问题。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种光电探测器，其特征在于，包括：
衬底，正面抛光；
金属纳米颗粒层，通过对金属薄膜层快速退火处理得到；先在所述衬底的正面沉积一层所述金属薄膜层，所述金属薄膜层完全覆盖所述衬底的正面；所述金属薄膜层在设定退火条件下经快速退火处理得到所述金属纳米颗粒层；所述金属纳米颗粒层包括多个间隔排布的金属纳米颗粒；通过改变所述退火条件，实现所述光电探测器对入射光波长的可调谐；
所述退火条件包括退火温度、退火时间和退火气体氛围；所述退火气体氛围为氢气、氦气和氩气中的任意一种；
氧化锌籽晶层，沉积于多个所述金属纳米颗粒上；所述氧化锌籽晶层的厚度大于或者等于金属纳米颗粒的直径，当氧化锌籽晶层覆盖于金属纳米颗粒上表面后，金属纳米颗粒不露出于氧化锌籽晶层的上表面；
氧化锌纳米线阵列，为在所述氧化锌籽晶层上于生长溶液中生长所得；将依次沉积有氧化锌籽晶层和金属纳米颗粒层的所述衬底倒置放入生长溶液中，所述氧化锌籽晶层倒置垂直生长出氧化锌纳米线阵列；
所述氧化锌纳米线阵列与所述氧化锌籽晶层直接接触的面为所述氧化锌纳米线阵列的下表面，与其相对的另一面为所述氧化锌纳米线阵列的上表面；
绝缘材料，填充于所述氧化锌纳米线阵列的间隙中；所述绝缘材料的厚度小于所述氧化锌纳米线阵列的上表面和下表面之间的距离；
第一金属电极，沉积并完全覆盖于所述氧化锌纳米线阵列的上表面；
第二金属电极，位于与所述衬底的正面相对的衬底的背面。
2.根据权利要求1所述的光电探测器，其特征在于，所述衬底为P型硅片，所述硅片的电阻率为1~40Ω·cm，厚度为725μm，晶向为<111>。
3.根据权利要求1所述的光电探测器，其特征在于，采用溅射法沉积所述金属薄膜层和所述氧化锌籽晶层。
4.根据权利要求1所述的光电探测器，其特征在于，采用水热法在所述氧化锌籽晶层的表面生长出所述氧化锌纳米线阵列。
5.根据权利要求1所述的光电探测器，其特征在于，采用等离子体刻蚀方法刻蚀所述绝缘材料的上表面，使所述绝缘材料的厚度小于所述氧化锌纳米线阵列的上表面与下表面之间的距离。
6.根据权利要求1所述的光电探测器，其特征在于，采用旋涂法、蒸镀法、溅射法的其中一种，将所述绝缘材料填充于所述氧化锌纳米线阵列的间隙中。
7.根据权利要求1所述的光电探测器，其特征在于，所述第二金属电极的面积为所述衬底背面的面积的25%-80%。
8.一种光电探测器的制备方法，其特征在于，包括：
将衬底的正面抛光，在所述衬底的正面沉积一层金属薄膜层，所述金属薄膜层将所述衬底的正面完全覆盖；在设定退火条件下，对所述金属薄膜层做快速退火处理得到完全覆盖于所述衬底正面的金属纳米颗粒层；所述金属纳米颗粒层包括多个间隔排布的金属纳米颗粒；
所述设定退火条件包括退火温度、退火时间和退火气体氛围；所述退火气体氛围为氢气、氦气和氩气中的任意一种；
在多个金属纳米颗粒上沉积一层氧化锌籽晶层；所述氧化锌籽晶层的厚度大于或者等于金属纳米颗粒的直径，当氧化锌籽晶层覆盖于金属纳米颗粒上表面后，金属纳米颗粒不露出于氧化锌籽晶层的上表面；将依次沉积有金属纳米颗粒层和氧化锌籽晶层的衬底倒置放入生长溶液中，所述氧化锌籽晶层倒置垂直生长出氧化锌纳米线阵列；
将生长出氧化锌纳米线阵列的结构正放，将绝缘材料填充于氧化锌纳米线阵列的间隙中，减小绝缘材料的厚度，使氧化锌纳米线阵列的上表面高于绝缘材料的上表面；
将第一金属电极沉积并完全覆盖于氧化锌纳米线阵列的上表面；将第二金属电极沉积于衬底的背面，第二金属电极的面积小于衬底背面的面积；光电探测器制备完成；
改变退火条件，使通过金属薄膜层得到的金属纳米颗粒层的性质改变；入射光照射光电探测器时，金属纳米颗粒层性质的改变，使光电探测器对入射光波长的吸收能力改变；同时，金属纳米颗粒层性质的改变，使每个氧化锌纳米线内部由电子和空穴形成的内建电场分布改变，电子空穴对的分离速率改变，进而光电探测器的光照响应速度改变。
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