氧化鋅為 n 型半導體，一般來說在高溫時導電的電子是由於在 impurity band 中的電子受熱激發(thermal activation)到導電帶所致。電導率在高溫(以下的 討論中將高溫視為 100K 以上)時與溫度的關係可以由 Arrhenius 式來描述，也 就是
Ea 即所謂的 activation energy，k 為 Boltzmann 常數。
在氧化鋅中導電電子主要是由施體雜質所提供，而施體雜質就其在能帶結構中 形成的區域與導電帶相距的大小一般可分為淺層施體能階(shallow donor level) 和深層施體能階(deep donor level)。
關於氧化鋅的施體能階，在早期如 P. H. Miller, JR. 認為 Zn 填隙(zinc interstitial) 雜質原子為深層雜質，Zn 填隙雜質原子對(pair)則為淺層雜質[4]。但是也有研究 [5]認為淺層雜質原子主要是由鋅填隙原子所貢獻，而氧空缺[39]則是深層雜質。
D. C. LooK et .al.在[5]中討論用 1-2 MeV 的電子束轟擊 ZnO 使得原子產生位移，
造成缺陷(defect)。利用電子束於不同的入射方向(Zn 面或 O 面)所產生雜質的效 率，來討論何者較有可能是氧化鋅的淺層雜質原子，而因為電子束朝 Zn 面入射 所產生施體的效率較高，故他們認為淺層雜質原子應為 Zn 的填隙雜質或與 Zn 填隙雜質相關的複合物(complex)。P. Kasai 則利用了電子順磁共振的方式研究氧
)
0
exp(
kT E
a
19
化鋅的施體能階，認為氧空缺為深層雜質，但其並未指出其能量。另一些研究 [6 ][7][8][34]當中，將氧空缺(oxygen vacancy)和鋅填隙雜質(zinc interstitial)視為 淺層雜質原子，而其在能帶結構中所處的地方約在導電帶下方幾十個 meV 左右，
20
圖 4-2 單晶氧化鋅在 498K-100K 的σ-T-1圖
確認兩種機制在不同溫區以 的形式主導著單晶氧化鋅的電導率 之後。接下來我們用 eq(4.1)對溫度 498K 到 120K 的電導率作擬合，採用的是最 小平方法來對做擬合，以決定σ1、σ2和 E1、E2等參數的值。在圖 4-3 中我們顯 示擬合的結果。
圖 4-3 單晶氧化鋅之電導率在 498K-120K 的擬合結果圖，黑色實 心點為原始數據，紅線為擬合線
0.003 0.006 0.009
10-6 10-5 10-4 10-3
single crystal ZnO
(-1 cm-1 )
T-1(K-1)
) exp( kT
Ea
150 200 250 300 350 400 450 500
0.0 1.0x10-3 2.0x10-3 3.0x10-3
-1 cm-1 )
T (K)
21
σ1 E1 σ2 E2
1st annealing 6.9478 332.11054 8.18524 34.5 2nd annealing 6.4787 329.92966 5.58195 35.67058
表 4-2 擬合單晶氧化鋅電導率所得各項參數值
由圖 4-3 可看出氧化鋅在高溫的電導率符合 eq(4.1)的描述，表 4-2 中所列的 E1、 E2則各自處於文獻中所記載深層施體能階和淺層施體能階熱激發能的能量範圍，
因此，本實驗確實觀察到單晶氧化鋅中深層和淺層雜質能階並且確認了其所對應 的熱激發能的能量等級。而藉由圖 4-4 可以了解到兩個機制隨著溫度的變化如何 影響整個單晶氧化鋅的導電性質。
圖 4-4 單晶氧化鋅電導率在兩機制間轉變的示意圖。深綠線是表示 將表 4-2 參數帶入 的結果，淺綠線是表示將表 4-2 參數帶入 的結果。紅線是直接擬合的結果。
1 1exp( E )
kT
2 2exp( E )
kT
0.002 0.004 0.006
10-6 10-5 10-4 10-3
-1 cm-1 ) single crystal ZnO
T -1(K-1)
22
圖 4-5 中將實驗數據和一般半導體的 lnρ-T-1做個比較，發現到和一般半導體一 樣，單晶氧化鋅的電阻率也存在著兩段斜率不同的線性區域，顯示出單晶氧化鋅 的電阻率隨溫度的依存關係確實和一般半導體的行為相似。
圖 4-5 一般半導體(左圖)[9]與本實驗所量測到單晶氧化鋅(右圖) 的電阻率隨溫度的表現
0.003 0.006 0.009
103 104 105 106
single crystal ZnO
cm)
T
-1
(K-1
)23
由以上的數據分析，我們可以確認 及 兩個數學項確實是 主導著氧化鋅在 498K-290K 及 190K-140 間的電導率σ，這個結果也意味著深層 施體雜質能階和淺層施體雜質能階彼此在兩個不同溫區中所提供的施體電子分
24
尺度，故此種雜質能階屬於淺層雜質能階。此外，圖 4-6 中兩條曲線電阻率的差 異，在實驗步驟上我們認為是由真空高溫退火所造成氧空缺的增加，電阻率的下 降，而理論上來說，在此溫區的環境熱能變化最有可能影響到的是淺層雜質所提 供的施體電子數，故合理的推測氧空缺屬於氧化鋅的淺層雜質之一。
圖 4-6 前後兩次量測到電阻率的差異，在溫度約 300K-100K 兩者
電阻率的差異明顯比 498K-300K 來的大
由我們實驗的結果找出了單晶氧化鋅深層和淺層雜質能階的熱激發能的確是與 一般文獻記載相符。過去研究中，認為氫原子[28][29]、鋅填隙原子也都是淺層 雜質，但這幾種淺層雜質的熱激發能能量等級都相同，如何區分它們甚至找出其 佔總雜質數中的比例是個值得研究的課題。此外，區分游離的氧空缺和鋅填隙雜 質，或由實驗中確認不同種類但同價數的游離雜質也都是有趣的研究方向。
0.003 0.006 0.009
103 104 105 106
1st annealing 2nd annealing
cm )
T -1 ( K-1)
25 氧氣，但總通氣量是維持在 50 sccm (standard cubic centimeter per
minute)(每分鐘標準毫升)。