We fabricated amorphous selenium (a-Se) photodetectors with a lateral metal-insulator-semiconductor-insulator-metal (MISIM) device structure. Thermal aluminum oxide, plasma-enhanced chemical vapor deposited silicon nitride, and thermal atomic layer deposited (ALD) aluminum oxide and hafnium oxide (ALD-HfO2) were used as the electron and hole blocking layers of the MISIM photodetectors for dark current suppression. A reduction in the dark current by three orders of magnitude can be achieved at electric fields between 10 and 30 V/μm. The effective dark current suppression is primarily ascribed to electric field lowering in the dielectric layers as a result of charge trapping in deep levels. Photogenerated carriers in the a-Se layer can be transported across the blocking layers to the Al electrodes via Fowler-Nordheim tunneling because a high electric field develops in the ultrathin dielectric layers under illumination. Since the a-Se MISIM photodetectors have a very low dark current without significant degradation in the photoresponse, the signal contrast is greatly improved. The MISIM photodetector with the ALD-HfO2 blocking layer has an optimal signal contrast more than 500 times the contrast of the photodetector without a blocking layer at 15 V/μm.

1.
G.
Juška
and
K.
Arlauskas
,
Phys. Status Solidi
77
,
387
(
1983
).
2.
S.
Kasap
,
J. A.
Rowlands
,
S. D.
Baranovskii
, and
K.
Tanioka
,
J. Appl. Phys.
96
,
2037
(
2004
).
3.
M.
Abkowitz
,
Philos. Mag. Lett.
58
,
53
(
1988
).
4.
S. A.
Mahmood
,
M. Z.
Kabir
,
O.
Tousignant
,
H.
Mani
,
J.
Greenspan
, and
P.
Botka
,
Appl. Phys. Lett.
92
,
223506
(
2008
).
5.
T. Y.
Yu
,
F. M.
Pan
,
C. Y.
Chang
,
T.
Hu
,
J. F.
Chen
,
J. F.
Wang
,
C. L.
Lin
,
T. H.
Chen
, and
T. M.
Chen
,
Curr. Appl. Phys.
14
,
659
(
2014
).
6.
J. B.
Frey
,
G.
Belev
,
O.
Tousignant
,
H.
Mani
,
L.
Laperriere
, and
S. O.
Kasap
,
J. Appl. Phys.
112
,
014502
(
2012
).
7.
S.
Kasap
,
J. B.
Frey
,
G.
Belev
,
O.
Tousignant
,
H.
Mani
,
J.
Greenspan
,
L.
Laperriere
,
O.
Bubon
,
A.
Reznik
,
G.
DeCrescenzo
,
K. S.
Karim
, and
J. A.
Rowlands
,
Sensors
11
,
5112
(
2011
).
8.
S.
Abbaszadeh
,
A.
Tari
,
W. S.
Wong
, and
K. S.
Karim
,
IEEE Trans. Electron Devices
61
,
3355
(
2014
).
9.
J. R.
Scheuermann
,
Y.
Miranda
,
H.
Liu
, and
W.
Zhao
,
J. Appl. Phys.
119
,
024508
(
2016
).
10.
S.
Kasap
,
J. B.
Frey
,
G.
Belev
,
O.
Tousignant
,
H.
Mani
,
L.
Laperriere
,
A.
Reznik
, and
J. A.
Rowlands
,
Phys. Status Solidi
246
,
1794
(
2009
).
11.
J.
Rowlands
and
S.
Kasap
,
Phys. Today
50
(11),
24
(
1997
).
12.
S. O.
Kasap
and
J. A.
Rowlands
,
J. Mater. Sci. Mater. Electron.
11
,
179
(
2000
).
13.
M.
Kubota
,
T.
Kato
,
S.
Suzuki
,
H.
Maruyama
,
K.
Shidara
,
K.
Tanioka
,
K.
Sameshima
,
T.
Makishima
,
K.
Tsuji
,
T.
Hirai
, and
T.
Yoshida
,
IEEE Trans. Broadcast.
42
,
251
(
1996
).
14.
K.
Kikuchi
,
Y.
Ohkawa
,
K.
Miyakawa
,
T.
Matsubara
,
K.
Tanioka
,
M.
Kubota
, and
N.
Egami
,
Phys. Status Solidi
8
,
2800
(
2011
).
15.
A.
Reznik
,
S. D.
Baranovskii
,
O.
Rubel
,
K.
Jandieri
,
S. O.
Kasap
,
Y.
Ohkawa
,
M.
Kubota
,
K.
Tanioka
, and
J. A.
Rowlands
,
J. Non. Cryst. Solids
354
,
2691
(
2008
).
16.
O.
Bubon
,
G.
DeCrescenzo
,
J. A.
Rowlands
, and
A.
Reznik
,
J. Non. Cryst. Solids
358
,
2431
(
2012
).
17.
S.
Abbaszadeh
,
N.
Allec
, and
K.
Karim
,
IEEE Sens. J.
13
,
1452
(
2013
).
18.
K.
Wang
,
F.
Chen
,
N.
Allec
, and
K. S.
Karim
,
IEEE Trans. Electron Devices
57
,
1953
(
2010
).
19.
K.
Wang
,
F.
Chen
,
K. W.
Shin
,
N.
Allec
, and
K. S.
Karim
, in
Medical Imaging 2010 Physics Medical Imaging
, edited by
E.
Samei
and
N. J.
Pelc
(
SPEI
,
San Diego, California, USA
,
2010
), p.
762217
.
20.
F.
Chen
,
K.
Wang
,
Y.
Fang
,
N.
Allec
,
G.
Belev
,
S.
Kasap
, and
K. S.
Karim
,
IEEE Sens. J.
11
,
505
(
2011
).
21.
S.
Abbaszadeh
,
N.
Allec
,
K.
Wang
, and
K. S.
Karim
,
IEEE Electron Device Lett.
32
,
1263
(
2011
).
22.
H. C.
Lin
,
P. D.
Ye
, and
G. D.
Wilk
,
Appl. Phys. Lett.
87
,
182904
(
2005
).
23.
E.
Verrelli
and
D.
Tsoukalas
,
J. Appl. Phys.
113
,
114103
(
2013
).
24.
X.
Guo
and
T. P.
Ma
,
IEEE Electron Device Lett.
19
,
207
(
1998
).
25.
T.-Y.
Yu
,
F.-M.
Pan
,
C.-Y.
Chang
,
J.-S.
Lin
, and
W.-H.
Huang
,
J. Appl. Phys.
118
,
044509
(
2015
).
26.
A. H.
Goldan
,
O.
Tousignant
,
L.
Laperrìre
, and
K. S.
Karim
,
Appl. Phys. Lett.
96
,
053507
(
2010
).
27.
S.
Imura
,
K.
Kikuchi
,
K.
Miyakawa
,
H.
Ohtake
, and
M.
Kubota
,
Appl. Phys. Lett.
104
,
242101
(
2014
).
28.
S.
Abbaszadeh
,
N.
Allec
,
S.
Ghanbarzadeh
,
U.
Shafique
, and
K. S.
Karim
,
IEEE Trans. Electron Devices
59
,
2403
(
2012
).
29.
J.
Robertson
and
B.
Falabretti
,
J. Appl. Phys.
100
,
014111
(
2006
).
30.
F.
Manouchehri
,
M. Z.
Kabir
,
O.
Tousignant
,
H.
Mani
, and
V. K.
Devabhaktuni
,
J. Phys. D. Appl. Phys.
41
,
235106
(
2008
).
31.
J. H.
You
,
H. W.
Kim
,
D. H.
Kim
,
T. W.
Kim
, and
K. W.
Lee
, in
2011 International Conference on Simulation of Semiconductor Processes and Devices
(
IEEE
,
Tokyo, Japan
,
2011
), pp.
199
202
.
32.
V. A.
Gritsenko
,
S. S.
Nekrashevich
,
V. V.
Vasilev
, and
A. V.
Shaposhnikov
,
Microelectron. Eng.
86
,
1866
(
2009
).
33.
S.
Maikap
,
H. Y.
Lee
,
T. Y.
Wang
,
P. J.
Tzeng
,
C. C.
Wang
,
L. S.
Lee
,
K. C.
Liu
,
J. R.
Yang
, and
M. J.
Tsai
,
Semicond. Sci. Technol.
22
,
884
(
2007
).
34.
M.
Kaviani
,
J.
Strand
,
V. V.
Afanas'ev
, and
A. L.
Shluger
,
Phys. Rev. B
94
,
020103
(
2016
).
35.
H.
Hamamura
,
T.
Ishida
,
T.
Mine
,
Y.
Okuyama
,
D.
Hisamoto
,
Y.
Shimamoto
,
S.
Kimura
, and
K.
Torii
, in
2008 IEEE International Reliability Physics Symposium
(
IEEE
,
Phoenix, AZ
,
2008
), pp.
412
416
.
36.
F.
Cerbu
,
O.
Madia
,
D. V.
Andreev
,
S.
Fadida
,
M.
Eizenberg
,
L.
Breuil
,
J. G.
Lisoni
,
J. A.
Kittl
,
J.
Strand
,
A. L.
Shluger
,
V. V.
Afanas'ev
,
M.
Houssa
, and
A.
Stesmans
,
Appl. Phys. Lett.
108
,
222901
(
2016
).
37.
C.
Zhao
,
C. Z.
Zhao
,
S.
Taylor
, and
P. R.
Chalker
,
Materials (Basel)
7
,
5117
(
2014
).
38.
G.
Hass
,
J. Opt. Soc. Am.
39
,
532
(
1949
).
39.
J.
Robertson
,
Eur. Phys. J. Appl. Phys.
28
,
265
(
2004
).
40.
A. P.
Huang
,
Z. C.
Yang
, and
P. K.
Chu
,
in Advances in Solid State Circuit Technologies
, edited by
P. K.
Chu
(
InTech
,
Rijeka
,
2010
), pp.
333
350
.
41.
T.
Masuzawa
,
I.
Saito
,
T.
Yamada
,
M.
Onishi
,
H.
Yamaguchi
,
Y.
Suzuki
,
K.
Oonuki
,
N.
Kato
,
S.
Ogawa
,
Y.
Takakuwa
,
A. T. T.
Koh
,
D. H. C.
Chua
,
Y.
Mori
,
T.
Shimosawa
, and
K.
Okano
,
Sensors
13
,
13744
(
2013
).
42.
V. V.
Afanas'ev
and
A.
Stesmans
,
J. Appl. Phys.
95
,
2518
(
2004
).
43.
V. I.
Mikla
,
J. Phys. Condens. Matter
9
,
9209
(
1997
).
44.
F. M.
Li
,
B. C.
Bayer
,
S.
Hofmann
,
J. D.
Dutson
,
S. J.
Wakeham
,
M. J.
Thwaites
,
W. I.
Milne
, and
A. J.
Flewitt
,
Appl. Phys. Lett.
98
,
252903
(
2011
).
45.
S.
Ghosh
and
D. N.
Bose
,
J. Mater. Sci. Mater. Electron.
5
,
193
(
1994
).
46.
P.
Auerkari
,
Res. Notes 1792, Tech. Report, Technical Research Center of Finland (1996).
(ISSN 1235-0605).
47.
F.
El Kamel
,
J. Phys. D. Appl. Phys.
48
,
285304
(
2015
).
48.
J. M.
Sun
,
W.
Skorupa
,
T.
Dekorsy
,
M.
Helm
,
L.
Rebohle
, and
T.
Gebel
,
Appl. Phys. Lett.
85
,
3387
(
2004
).
49.
T.
Dekorsy
,
J.
Sun
,
W.
Skorupa
,
M.
Helm
,
L.
Rebohle
, and
T.
Gebel
, in
Nonequilibrium Carrier Dynamics in Semiconductors
, edited by
M.
Saraniti
and
U.
Ravaioli
(
Springer
,
Berlin Heidelberg, Berlin, Heidelberg
,
2006
), pp.
265
268
.
50.
W.-D.
Park
and
K.
Tanioka
,
Jpn. J. Appl. Phys., Part 1
48
,
04C159
(
2009
).
51.
A.
Solieman
and
A. A.
Abu-Sehly
,
Phys. B: Condens. Matter
405
,
1101
(
2010
).
You do not currently have access to this content.