The combination of photoemission spectroscopies, infrared and UV-VIS absorption, and electric measurements has allowed to clarify the mechanisms governing the conductivity and the electronic properties of Al-doped ZnO (AZO) films in a wide doping range. The contribution of defect-related in-gap states to conduction has been excluded in optimally doped films (around 4 at. %). The appearance of gap states at high doping, the disappearance of occupied DOS at Fermi level, and the bands evolution complete the picture of electronic structure in AZO when doped above 4 at. %. In this situation, compensating defects deplete the conduction band and increase the electronic bandgap of the material. Electrical measurements and figure of merit determination confirm the high quality of the films obtained by magnetron sputtering, and thus allow to extend their properties to AZO films in general.

1.
D.-J.
Yun
and
S.-W.
Rhee
,
Thin Solid Films
517
,
4644
(
2009
).
2.
H.
Saarenpää
,
T.
Niem
,
A.
Tukiainen
,
H.
Lemmetyinen
, and
N.
Tkachenko
,
Sol. Energy Mater. Sol. Cells
94
,
1379
(
2010
).
3.
J.-H.
Park
,
K.-J.
Ahn
,
K.-I.
Park
,
S.-I.
Na
, and
H.-K.
Kim
,
J. Phys. D: Appl. Phys.
43
,
115101
(
2010
).
4.
X.
Jiang
,
F. L.
Wong
,
M. K.
Fung
, and
S. T.
Lee
,
Appl. Phys. Lett.
83
,
1875
(
2003
).
5.
A.
Boltasseva
and
H. A.
Atwater
,
Science
331
,
290
(
2011
).
6.
J. G.
Lu
,
Z. Z.
Ye
,
Y. J.
Zeng
,
L. P.
Zhu
,
L.
Wang
,
J.
Yuan
,
B. H.
Zhao
, and
Q. L.
Liang
,
J. Appl. Phys.
100
,
073714
(
2006
).
7.
J. C.
Lee
,
K. H.
Kang
,
S. K.
Kim
,
K. H.
Yoon
,
I. J.
Park
, and
J.
Song
,
Sol. Energy Mater. Sol. Cells
64
,
185
(
2000
).
8.
Y.
Ma
,
G. T.
Du
,
S. R.
Yang
,
Z. T.
Li
,
B. J.
Zhao
,
X. T.
Yang
,
T. P.
Yang
,
Y. T.
Zhang
, and
D. L.
Liu
,
J. Appl. Phys.
95
,
6268
(
2004
).
9.
S. C.
Gong
,
Y.-J.
Choi
,
H.
Kim
,
C.-S.
Park
,
H.-H.
Park
,
J. G.
Jang
,
H. J.
Chang
, and
G. Y.
Yeom
,
J. Vac. Sci. Technol., A
31
,
01A101
(
2013
).
10.
M.
Gabás
,
N. T.
Barrett
,
J. R.
Ramon-Barrado
,
S.
Gota
,
T. C.
Rojas
, and
M. C.
López-Escalante
,
Sol. Energy Mater. Sol. Cells
93
,
1356
(
2009
).
11.
H. H.-C.
Lai
,
T.
Basheer
,
V. L.
Kuznetsov
,
R. G.
Egdell
,
R. M. J.
Jacobs
,
M.
Pepper
, and
P. P.
Edwards
,
J. Appl. Phys.
112
,
083708
(
2012
).
12.
B.
Li
,
Y.
Adachi
,
J.
Li
,
H.
Okushi
,
I.
Sakaguchi
,
S.
Ueda
,
H.
Yoshikawa
,
Y.
Yamashita
,
S.
Senju
,
K.
Kobayashi
,
M.
Sumiya
,
H.
Haneda
, and
N.
Ohashi
,
Appl. Phys. Lett.
98
,
082101
(
2011
).
13.
L.
Gong
,
Z.
Ye
,
J.
Lu
,
L.
Zhu
,
J.
Huang
,
X.
Gu
, and
B.
Zhao
,
Vacuum
84
,
947
(
2010
).
14.
P.
Gondoni
,
M.
Ghidelli
,
F.
Di Fonzo
,
V.
Russo
,
P.
Bruno
,
J.
Martí-Rujas
,
C. E.
Bottani
,
A.
Li Bassi
, and
C. S.
Casari
,
Thin Solid Films
520
,
4707
(
2012
).
15.
P.
Palacios
,
K.
Sánchez
, and
P.
Wahnón
,
Thin Solid Films
517
,
2448
(
2009
).
16.
M.
Bazzani
,
A.
Neroni
,
A.
Calzolari
, and
A.
Catellani
,
Appl. Phys. Lett.
98
,
121907
(
2011
).
17.
E.
Burstein
,
Phys. Rev.
93
,
632
(
1954
);
T. S.
Moss
,
Proc. Phys. Soc.
67
,
775
(
1954
).
18.
B. E.
Sernelius
,
K.-F.
Berggren
,
Z.-C.
Jin
,
I.
Hamberg
, and
C. G.
Granqvist
,
Phys. Rev. B
37
,
10244
(
1988
).
19.
M.
Gabás
,
P.
Torelli
,
N. T.
Barrett
,
M.
Sacchi
,
F.
Bruneval
,
Y.
Cui
,
L.
Simonelli
,
P.
Díaz-Carrasco
, and
J. R.
Ramos Barrado
,
Phys. Rev. B
84
,
153303
(
2011
).
20.
S.
Lany
and
A.
Zunger
,
Phys. Rev. Lett.
98
,
045501
(
2007
).
21.
M.
Gabas
,
P.
Torelli
,
N. T.
Barrett
,
M.
Sacchi
, and
J. R.
Ramos Barrado
,
APL Mater.
2
,
012112
(
2014
).
22.
A.
Walsh
,
J. L. F.
Da Silva
,
S.-H.
Wei
,
C.
Körber
,
A.
Klein
,
L. F. J.
Piper
,
A.
De Masi
,
K. E.
Smith
,
G.
Panaccione
,
P.
Torelli
,
D. J.
Payne
,
A.
Bourlange
, and
R. G.
Egdell
,
Phys. Rev. Lett.
100
,
167402
(
2008
).
23.
D.
Céolin
,
J. M.
Ablett
,
D.
Prieur
,
T.
Moreno
,
J.-P.
Rueff
,
T.
Marchenko
,
L.
Journel
,
R.
Guillemin
,
B.
Pilette
,
T.
Marin
, and
M.
Simon
,
J. Electron Spectrosc. Relat. Phenom.
190
,
188
(
2013
).
24.
J.-P.
Rueff
,
J.
Ablett
,
D.
Céolin
,
D.
Prieur
,
T.
Moreno
,
V.
Balédent
,
B.
Lassalle-Kaiser
,
J.
Rault
,
M.
Simon
, and
A.
Shukla
,
J. Synchrotron Radiat.
22
,
175
(
2015
).
25.
D.
Kim
,
K. Y.
Lee
,
M. K.
Gupta
,
S.
Mahumder
, and
S.-W.
Kim
,
Adv. Funct. Mater.
24
,
6949
(
2014
).
26.
C. G.
Van de Walle
,
Phys. Rev. Lett.
85
,
1012
(
2000
).
27.
D. C.
Look
,
G. C.
Farlow
,
P.
Reunchan
,
S.
Limpijumnong
,
S. B.
Zhang
, and
K.
Nordlund
,
Phys. Rev. Lett.
95
,
225502
(
2005
).
28.
A.
Janotti
and
C. G.
Van de Walle
,
Phys. Rev. B
76
,
165202
(
2007
).
29.
A. B.
Kuzmenko
,
Rev. Sci. Instrum.
76
,
083108
(
2005
).
30.
F.
Wooten
,
Optical Properties of Solids
(
Academic Press
,
New York
,
1972
).
31.
M.
Sakamaki
,
N.
Kawai
,
T.
Miki
,
T.
Kaneko
,
T.
Konishi
,
T.
Fujikawa
,
K.
Amemiya
,
Y.
Kitajima
,
Y.
Kato
,
T.
Muro
,
H.
Yamauchi
, and
M.
Sakai
,
Phys. Rev. B
83
,
155210
(
2011
).
32.
G.
Haacke
,
J. Appl. Phys.
47
,
4086
(
1976
).
33.
V. K.
Jain
and
A. P.
Kulshreshtha
,
Sol. Energy Mater.
4
,
151
(
1981
).
34.
S. H.
Jeong
,
J. W.
Lee
,
S. B.
Lee
, and
J. H.
Boo
,
Thin Solid Films
435
,
78
(
2003
).
35.
R. A.
Mereu
,
S.
Marchionna
,
A.
Le Donne
,
L.
Ciontea
,
S.
Binetti
, and
M.
Acciarri
,
Phys. Status Solidi C
11
,
1464
(
2014
).
36.
C.
Körber
,
V.
Krishnakumar
,
A.
Klein
,
G.
Panaccione
,
P.
Torelli
,
A.
Walsh
,
J. L. F.
Da Silva
,
S.-H.
Wei
,
R. G.
Egdell
, and
D. J.
Payne
,
Phys. Rev. B
81
,
165207
(
2010
).
You do not currently have access to this content.