1. Morphological Characterization (SEM)

The surface morphology of the AZO films was characterized with a Verios Scanning Electron Microscope (Thermo Fisher Scientific, Hillsboro, OR). Measurements were performed in high-vacuum mode, with an accelerating voltage of 10 kV. 

The sample prepared under vacuum conditions at room temperature (RT) shows a more pronounced granulation, possible local segregation or unevenly oxidized areas, and incipient or inhomogeneous “columnar” growth. At RT, atomic mobility is low, leading to disordered growth and numerous small grains. Deposition in O2 at RT leads to rapid, uncontrolled oxidation, with intense nucleation leading to a very dense granular texture. Deposition at 500 °C, in under vacuum,  leads to ordered growth, excellent superficial diffusion, and defect reduction.

       2. Optical Characterization -Spectro-Ellipsometry (SE) Measurements

Optical constants were determined using a Horiba Uvisel plus spectroellipsometer. Experimental measurements were performed at a light beam incidence angle of 70 degrees, over a spectral range of 0.6-6.5 eV (190-2100 nm) with a step of 0.02 eV. The optical constants of AZO films, namely refractive index (n) and extinction coefficient (k), as well as their thickness (t), were determined using spectroscopic ellipsometry measurements. To assess this, an optical model was created to describe each layer of the samples, designed to represent the real AZO system. The model consists of a silicon substrate layer (0.65 mm), a native silicon oxide layer (3 nm), an AZO film layer of unknown thickness, and a top layer with unknown thickness representing the roughness of the films. For the roughness layer, the effective medium approximation (EMA) was applied, assuming a mixture of 50/50 volume fraction of voids and material. The parametrization used to evaluate the optical properties of the sample was based on the New Amorphous and Drude oscillators. Additionally, the Drude oscillator was introduced to describe the free-carrier contribution to the conductive behavior of the films. Further, the unknown parameters (n, k, t, and roughness) were determined by fitting the experimental data with the created model. Furthermore, the result of the fit was assessed using the Mean Square Error (MSE), which represents the minimal difference between the model and the experimental data. Since the AZO samples were prepared on 4-inch Si wafers, ellipsometry measurements for thickness and uniformity evaluation were assessed at 68 points, starting from the center of the wafer and continuing to the edge.

The obtained thicknesses were about 45-50 nm for samples deposited at 10.000 laser pulses and 70-80 nm for samples deposited at 15.000 laser pulses. Uniformity was evaluated at 68 points measured across the wafer, resulting in a thickness variation from the center to the edge of approximately 10-15%.

     3. Electrical Characterization-Hall Measurements

Electrical measurements were conducted with a cryogenic probe station controlled by a Lakeshore 8400 Series, at room temperature and atmospheric pressure, using the four-probe method. Hall measurements were conducted to determine the carrier concentration, mobility, and resistivity of the samples in the Van der Pauw configuration. 

Hall measurement revealed n-type conductivity over the entire temperature range. Moreover, the carrier concentration is independent of temperature, with a carrier concentration of 1.05 x 10^21 cm^-3, indicating the degeneracy of the sample. Hall mobility (µ) exhibits slight variation with the temperature, decreasing from 19.7 cm^2/V s at 100 K to 17.9 cm^2/V s at 300 K. Additionally, the measurement performed at 330 K revealed that the mobility (17.8 cm^2/V s) does not change drastically with the temperature, which is an essential characteristic for the optimal performance of an TCO in the configuration of a device such as a photovoltaic cell or to be used for electromagnetic shielding applications (EMI). Additionally, the electrical resistivity exhibits a reduced value of 3.28 x 10^-4 Ω cm, which is in agreement with the specific requirements for a TCO.

        1. Caracterizare Morfologică (SEM)

Morfologia de suprafață a filmelor AZO a fost caracterizată cu un microscop electronic de baleiaj de tip Verios (Thermo Fisher Scientific, Hillsboro, OR). Măsurătorile au fost realizate în modul high-vacuum, cu tensiunea de accelerare 10kV. 

 Proba preparată în condiții de vid la temperatura camerei (RT) prezintă o granulație mai pronunțată, posibilă segregare locală sau zone oxidate neuniform și o creștere „columnară” incipientă sau inomogenă. La RT, mobilitatea atomică este scăzută, ducând la o creștere dezordonată și la numeroase granule mici. Depunerea în O2 la RT duce la o oxidare rapidă, necontrolată, cu nucleație intensă care duce la o textură granulară foarte densă. Depunerea la 500 °C, în vid, duce la o creștere ordonată, o difuzie superficială excelentă și reducerea defectelor.

      2. Caracterizare Optica - Măsuratori de Spectro-Elipsometrie (SE) 

Proprietățile optice ale filmelor de AZO au fost determinate folosind un spectroelipsometru Horiba Uvisel plus. Măsurătorile experimentale au fost efectuate la un unghi de incidență al fasciculului luminos de 70 de grade, pe un interval spectral de 0,6–6,5 eV (190–2100 nm) cu un pas de 0,02 eV. Constantele optice ale filmelor de AZO, și anume indicele de refracție (n) și coeficientul de extincție (k), precum și grosimea acestora (t), au fost determinate folosind măsurători de spectro-elipsometrie. Pentru determinarea acestora, a fost creat un model optic care descrie fiecare strat al probelor, conceput pentru a reprezenta sistemul AZO real. Modelul constă dintr-un strat de siliciu (0,65 mm), un strat nativ de oxid de siliciu (3 nm), un strat de AZO a cărui grosime este necunoscută și un strat superior rugozitate. Pentru stratul de rugozitate, s-a aplicat aproximarea mediului efectiv (EMA), presupunând un amestec de 50/50 fracție volum de goluri și material. Parametrizarea utilizată pentru evaluarea proprietăților optice ale probei s-a bazat pe oscilatorii New Amorphous și Drude. În plus, oscilatorul Drude a fost introdus pentru a descrie contribuția purtătorilor liberi din straturile de AZO. Parametrii necunoscuți (n, k, t și rugozitatea) au fost determinați prin fitarea datelor experimentale cu modelul creat. În final, rezultatul fitului a fost evaluat folosind eroarea pătratică medie (MSE), care reprezintă diferența minimă dintre model și datele experimentale.

Din punct de vedere al grosimilor obtinute acestea au got de 45-50 nm pentru probele depuse folosind un numar de pulsuri laser de 10000 si 70-80 nm pentru probele depuse folosind un numar de 15000 de pulsuri laser. Pentru determinarea uniformitatii au fost masurate un numar de 68 de puncte pe intreg waferul , obtinandu-se o variatie a grosimii din centru spre margine de aproximativ 10-15%.

      3. Caracterizări Electrice-Măsurători de tip Hall

Măsurătorile Hall au fost realizate în intervalul de temperatură 100-330 K, în centrul probelor de AZO depuse prin PLD pe wafer de Si (4-inch). Măsurătorile Hall realizate pe probele de AZO au indicat o concentrație de purtători de sarcină constantă cu variația temperaturii, de aproximativ 1.05 x 10^21 cm^-3. Mobilitatea Hall (µ) a prezentat o ușoară variație cu temperatura, scăzând de la 19,7 cm^2/V s măsurată la 100 K până la 17,9 cm^2/V s la 300 K. În plus, măsurarea efectuată la 330 K a arătat că mobilitatea (17,8 cm^2/V s) nu se modifică drastic odată cu temperatura, ceea ce este o caracteristică esențială pentru performanța optimă a unui TCO în configurația unui dispozitiv pentru aplicații de ecranare electromagnetică (EMI). În plus, rezistivitatea electrică prezintă o valoare redusă de 3.28 x 10^-4 Ω cm, ceea ce este în concordanță cu cerințele specifice pentru un TCO.