Electrical Characterization of 
GaN:Si and AlGaN:Si 

1 

 

 

 

 

 

 

Hong Ye 

Hongy@student.chalmers.se 

 

 

 

 

Department of Applied Physics 

Department of Microtechnology and Nanoscience 

CHALMERS UNIVERSITY OF TECHNOLOGY 

Göteborg, Sweden 2011 

 

mailto:Hongy@student.chalmers.se


 
 

 

Abstract 
 

 

2 

0.7  ) to th

.2  )  part  of

Wide band gap materials such as GaN, AlN and AlGaN alloys are of great  interest because of 
their special physical properties which are very suitable for optoelectronic and electronic device 
applications.  The  group‐III‐nitride  semiconductors  are  the  only  semiconductor  materials 
capable of emitting  light  from the  infrared  ( , e deep ultraviolet  ( ,

6   the  spectrum.  Compared  to  other  semiconductors,  III‐nitrides  also  possess 
several other advantageous characteristics that are interesting for devices, such as high thermal 
conductivity, high breakdown voltage, and resistance to both high temperatures and chemically 
hostile environments.  

This work  is  focused  on Hall  Effect measurements  on GaN  and AlGaN  layers  doped with  Si. 
Bohr’s  hydrogen model  is  used  as  the  basis  for  a  discussion  on  the  theory  of  the  doping 
mechanism and  its effects on the conductivity. The Hall Effect and the basic work principle of 
the Hall Effect setup are described. Hall Effect measurements are  frequently employed  in my 
diploma work  to measure  the  resistivity, mobility  and  carrier  concentration of our  III‐nitride 
samples. Molecular beam epitaxy (MBE) is used to grow GaN and AlGaN layers doped with Si. A 
solid source Si‐cell that  is mounted on the MBE system  is used to provide the Si dopant. The 
atomic Si flux corresponding to the doping concentration is depending exponentially on the Si‐
cell temperature. The atomic Si flux (and consequentially also the electron concentration) in the 
MBE  system  is  depending  exponentially with  the  temperature.  Temperature dependent Hall 
Effect measurements on a reference GaAs:Si sample are also performed as a comparison. It  is 
demonstrated  that  (compared  to  GaAs)  achieving  a  high  carrier  concentration  in  GaN  and 
especially AlGaN is challenging since these materials have large bandgaps (>3.4 eV for AlGaN vs. 
1.4 eV for GaAs). The large bandgap tends to increase the activation energy of the donor.  

 

Keywords:  III‐V semiconductors,  III‐nitrides, GaN, AlGaN, Schottky contact, Ohmic contact, Si‐
doping, Bohr’s hydrogen atom model, Hall Effect, Molecular beam epitaxy.     

 

 

 



 
 

 

Acknowledgements 
 

 

First  and  foremost,  I would  like  to express my  sincere  gratitude  to my  supervisor, Professor 
Tommy Ive, for guiding me  in the field of wide band gap semiconductors. Without his support 
and encouragement, this thesis would not have been possible. 

Many thanks to all current and  former members of the Microwave Electronics Laboratory  for 
their help and friendship over the half years: Professor Thorvald Andersson for introducing me 
to the theory of semiconductor conductive properties; Dr Fredrik Fälth for taking those difficult 
first steps  in Hall Effect measurements; Licentiate student Rashid Farivar  for his scientific and 
technical assistance and fruitful discussions; last but definitely not the least, Lars‐Åke Sidenberg  
for his helpful suggestion with the Hall Effect setup. 

I am indebted to the PhD student David Adolph for his support and friendship. Sincere thanks to 
him for giving me advice on the way of thinking about not just the physic problem but also the 
essence  of  life.  I  wish  to  thank  to  Siham  Doubaji  for  her  cooperation  and  discussion  on 
Capacitance‐voltage  measurement  and  really  great  friendship.  I  am  grateful  to  everyone 
working in the Laboratory for providing a pleasant study and research environment. 

Finally, sincere thanks to my parents and the whole families for all the support and care they 
have  shown  me.  I  would  also  like  to  extend  my  thanks  to  friends  all  over  the  world.  In 
particular, my “family” here  in Göteborg, Xiaoning Gong deserves special thanks for being the 
best  of  the  friends. Warmest wishes  to  Hongming  Cai  families who  have made my  stay  in 
Sweden a pleasurable experience. 

 

Hong Ye 

Sep. 2011 

 

 

 

3 

 



 
 

 

Contents          
 

 

Abstract ................................................................................................................................... 2 

Acknowledgements ................................................................................................................. 3 

1. Introduction ........................................................................................................................ 6 

1.1 History of semiconductors .................................................................................................... 6 

1.2 Application of semiconductors ............................................................................................. 8 

2. Physical properties of III‐V Semiconductors ....................................................................... 10 

2.1 Crystal structure of III‐V Semiconductors ........................................................................... 10 

2.2 Energy bands of III‐V Semiconductors ................................................................................ 10 

2.3 Schottky and Ohmic contact of III‐V Semiconductors ......................................................... 12 

2.3.1 Principle of Schottky contact ........................................................................................ 12 

2.3.2 Principle of Ohmic contact ........................................................................................... 13 

2.3.3 Ohmic contact for GaN ................................................................................................. 14 

3. Impurities in III‐V Semiconductors ..................................................................................... 15 

3.1 Shallow impurities ............................................................................................................... 15 

3.2 Bohr’s hydrogen atom model ............................................................................................. 15 

3.3 Hydrogen‐like donors and acceptors .................................................................................. 15 

4. The Hall Effect ................................................................................................................... 18 

4.1 The Hall Effect principle ...................................................................................................... 18 

4.2 The Hall Effect in semiconductors ....................................................................................... 19 

4.3 The Hall Effect measurement .............................................................................................. 20 

4.3.1 Van der Pauw structures .............................................................................................. 20 

4.3.2 Measurement method and errors analysis .................................................................. 22 

5. Molecular beam epitaxy .................................................................................................... 24 

5.1 General description of the MBE system .............................................................................. 24 

4 

 



 
 

5.2 Epitaxial growth of III‐nitrides ............................................................................................. 26 

5.2.1 Substrate for GaN growth ............................................................................................ 26 

5.2.2 Growth of III‐nitride layer ............................................................................................. 27 

6. Experiments ....................................................................................................................... 28 

6.1 Hall Effect Setup .................................................................................................................. 28 

6.2 Measurement Procedure .................................................................................................... 32 

6.2.1 Sample preparation ...................................................................................................... 32 

6.2.2 Sample measurement................................................................................................... 33 

7. Results and Discussion ....................................................................................................... 34 

8. Summary and Future Work ................................................................................................ 40 

Reference .............................................................................................................................. 41 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5 

 



 
 

1. Introduction 

1.1 History of semiconductors 
According to G.Busch [1] the term “semiconducting” was first used by Alessandro Volta in 1782. 
The first documented observation of a semiconducting effect took place in 1833, when Michael 
Faraday described the decreased resistance of silver sulfide with temperature [2]. In 1874 Karl 
Ferdinand Braun detected  rectification  in metal  sulfides using a metal point probe  [3].  Later 
that year, Arthur Schuster found rectification  in a storage circuit made of copper wires due to 
copper oxide at the ends of the wires. A new semiconductor copper oxide was discovered [4]. 
Among  all  the  research  on  rectification  later  in  that  period, Walter  Schottky’s  research was 
outstanding  for  the  experimental  verification  the  presence  of  a  barrier  in  a  metal‐
semiconductor junction in 1929 [4].  

Meanwhile,  another  physical  property  of  semiconductors,  namely  the  sensitivity  to  light 
attracted many physicists.  In 1839, Alexander Edmund Becquerel discovered  the photovoltaic 
effect at a  junction between a  semiconductor and an electrolyte  [5]. While  the photovoltaic 
effect in solids was observed almost forty years later by Adams and Day in 1876. They noticed 
that  presence  of  light  could  change  the  direction  of  the  current  flowing  through  selenium 
connected  to  a battery  [6]. With  combination of  a metal plate  and  a  thin  layer of  selenium 
covered by a very thin layer of gold, the first working solar cell was constructed by Charles Fritts 
in 1883 [6].  

Since Edwin Herbert Hall discovered the deflection of charge carriers in magnetic field in 1878, 
this phenomenon played an  important role  for  further study of semiconductor properties  [7]. 
From  then  on,  a  number  of  theories  were  developed:  electrons  in  lattices  developed  by 
Ferdinand Bloch  in 1928; the concept of forbidden gaps by Rudolf Peierls  in 1930; conduction 
caused by  impurities by Alan Wilson  in 1931;  the concept of hole by Heisenberg  in 1931 and 
thermionic emission by Hans Bethe in 1942 [7].  

The III‐V nitrides are not really novel materials. Early in 1907, the synthesis of AlN was already 
reported  and  it  is  believed  to  be  one  of  the  first  synthesized  III‐V  semiconductors  [8].  The 
crystalline  structure of GaN was described  in 1937  [9] and growth of GaN  crystalline epitaxy 
layer was  developed  in  1969  [10].  Three  important milestones were  reached  in  1971.  First, 
Pankov  and  his  partners  reported  GaN‐based  metal‐insulator  semiconductor  light  emitting 
diodes  (LEDs)  [11]. The  same year, Manasevit  succeeded  for  the  first  time  to grow GaN with 
metal‐organic chemical vapor deposition (MOCVD) [12]. Last, Dingle and coworkers established 
the prospect of ultraviolet  semiconductor  injection  lasers via discovering  the  stimulated  light 
emission from needles of GaN single crystals at a temperature of 2 K [13]. 

6 

 



 
 

The main obstacle that had to be overcome in making practical nitride‐based devices refers to 
difficulties of growing high‐quality AlGaN and InGaN alloys. This is why the nitrides were largely 
ignored in favor of other wide bandgap materials such as SiC and II‐VI materials.  

Because  lattice‐matched  substrates  are  not  readily  available,  mastering  epitaxy  on  foreign 
substrates is essential to control the chemical purity of GaN and to minimize dislocation in the 
lattice.  The  growth  of  GaN  on  sapphire  substrates  resulted  in  low‐quality  material  full  of 
defects, with  a  high  background  free  carrier  concentration  and  a  rough morphology.  In  the 
search  for  improved  properties,  Yoshida  discovered  that  an  AlN  nucleation  layer  between 
sapphire substrate and epitaxial  layer  increases  the efficiency of cathodoluminescence of  the 
films [14]. Deposition of a low temperature buffer layer allowed for continuous coverage of the 
substrate  and  overcame  the  wetting  obstacles  related  to  surface  and  interface  energetics. 
Using this AlN  low‐temperature buffer  layer on sapphire substrates, Amano and Akasaki grew 
the  first smooth surface of GaN  films  in 1986 with MOCVD  [15]. This  resulted  in a significant 
improvement of the electrical and optical properties of the films. Later, a low‐temperature GaN 
buffer layer was used by Nakamura even more successively [16]. 

7 

10

and  thermal  properties,  a  high  breakdown  voltage, mechanical  stability,  and  allow  for  the 

In the same year (1986), Amano demonstrated that silane (SiH4) could be used as an effective 
and controllable n‐type dopant [15]. Magnesium was supposed to be a good shallow acceptor. 
Although  it was  possible  to  incorporate  large  amount  of Mg  in  GaN,  it  did  not  effectively 
introduce positive charge carriers (holes) due to unintentional passivation with hydrogen that is 
present  in  the MOCVD  reactor  chamber.  This  does  not  occur  in MBE  systems  due  to  the 
extremely  low  H  background.  In  1989,  Amano  and  Akasaki  demonstrated  that  low‐energy 
electron  irradiation  activates Mg  doped  GaN  films. With  this method  they  achieved  a  hole 
concentration of  , which was sufficient to produce the  first p‐n  junction‐based blue 
light emitting diode [17]. In 1992, Nakamura reported that sufficiently high hole concentrations 
could be achieved by thermal annealing of these Mg‐doped GaN  layers after growth [18]. The 
development of extremely thin  layers composed of  InGaN alloys by Nakamura resulted  in the 
realization of a blue LED in 1993 [19].  

The next challenge was to a room‐temperature nitride  laser diode (LD). Although a number of 
reports on stimulated emission appeared during 1991‐1995 [20‐23], the goal of an electrically 
injected  device  was  developed  not  earlier  than  the  end  of  1995  by  Nakamura  [24].  This 
achievement  induced a rapid  improvement  in the performance of the  lasers.  In 1996, Akasaki 
fabricated a laser diode emitting at a wavelength of 376 nm [25]. In 1998, Nakamura illustrated 
a room‐temperature continuous wave laser emitting at 400 nm [26]. 

The  development  of  high‐power  and  high‐temperature  electronics was  seen  in  the  last  few 
years. An  semiconductor material  for power  applications  should perform excellent  transport 

 



 
 

8 

very fru
 (over 2

anged  the world beyond  anything  that  could have 

  the most  extensively 

 advance  in high‐speed microwave 

rovide  relatively  high  electron  mobility,  high  thermal 

n e   e  

fabrication of both unipolar and bipolar devices. The III‐nitride compounds fulfill most of these 
demands. In 1993‐1994, the first GaN‐based transistors were demonstrated [27, 28], but recent 
developments  led  to  many  new  exciting  achievements.  The  electron  mobility  in  the  two‐
dimensional  electron  gas  (2DEG)  at  the  GaN/AlGaN  interface  reaches  10000  /   at 
cryogenic temperatures and 2000  /  at room temperature [29]. Moreover, a  itful 
combination of high current values 0 A/mm) with very high breakdown voltages (several 
thousand volts) makes the nitrides ideal candidates for high electron mobility transistors [30]. 

1.2 Application of semiconductors 
There  is no doubt  that  semiconductors  ch
been  imagined  before  them.  The  technology  of  electronics  took  a  large  step  forward when 
William Shockley, John Bardeen and Walter Brattain observed the transistor action in a piece of 
germanium in 1947. They later got the Nobel Prize for this discovery. 

The most  commonly  used  semiconductor  today  is  silicon.  It  is  to  date
implemented semiconductor and  is widely used  in computers, cars and networks. Despite the 
success of Si devices, the material is not well suited for a wide range of applications, mostly due 
to its relatively small, indirect bandgap. The search for suitable semiconductor materials led to 
the development of the compound semiconductors.  

Semiconductors based on III‐V compound materials provide
and  optoelectronic  applications.  The  III‐V  semiconductors  correspond  to  the  compounds 
formed by  the elements  in  column  III  (Al, Ga and  In) and  column V  (N, P, As and  Sb)  in  the 
periodic table. Most of them have the direct bandgaps which means that they can be used to 
emit  light  efficiently.  Gallium  arsenide  (GaAs)  can  be  used  to  make  LEDs  emit  red  light. 
Moreover, due to higher electron mobility, GaAs is widely used in devices requiring high speed 
such  as mobile  phones,  satellite  communications  and  high  frequency  radar  systems.  GaAs 
devices  tend  to have  less noise  than  silicon devices. However,  the production of GaAs based 
devices is more costly than devices based on silicon. And the conventional III‐V semiconductors 
(e.g. GaAs, GaP and AlGaAs alloys) together with Si are not suitable for optoelectronic devices 
in  the  blue,  violet  or  ultra‐violet  wavelength  regions.  The  wide  band  gap  semiconductors 
overcome many of these limitations.  

The  wide  bandgap  materials  can  p
conductivity,  high  breakdown  electric  fields  and  thermal  and  chemical  stability  [31].  SiC  has 
drawn  much  attention  having  a  bandgaps  around  3  eV.  However,  due  to  problems  with 
material quality and device  lifetime, only few commercial SiC products exist today such as SiC 
based  metal  oxide  semiconductor  field‐effect  transistor  (MOSFET).  The  III‐nitrides 
semico ductors are  th  best  candidate materials  fulfilling all  th   requirements  for successful 

 



 
 

device‐making.  For  instance,  the mixture  of  GaN  with  In  (InGaN)  or  Al  (AlGaN)  allows  the 
manufacture of LEDs with colors  that can go  from green  to ultra‐violet  [32]. GaN based high 
electron  mobility  transistors  (HEMTs)  have  found  immediate  use  in  various  wireless 
infrastructure applications due to their high efficiency and high voltage operation. GaN based 
metal  semiconductor  field  effect  transistors  (MESFETs)  and  MOSFETs  also  offer  many 
advantages  in  high  power  electronics,  especially  in  automotive  and  electric  car  applications 
[33]. Nanotubes of GaN are proposed for applications in nanoscale electronics, optoelectronics 
and biochemical‐sensing applications [34].  

9 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

http://en.wikipedia.org/wiki/Indium
http://en.wikipedia.org/wiki/Indium_gallium_nitride
http://en.wikipedia.org/wiki/Aluminium
http://en.wikipedia.org/wiki/Aluminium_gallium_nitride
http://en.wikipedia.org/wiki/LED
http://en.wikipedia.org/wiki/HEMT
http://en.wikipedia.org/wiki/MESFET
http://en.wikipedia.org/wiki/MOSFET
http://en.wikipedia.org/wiki/Carbon_nanotube
http://en.wikipedia.org/wiki/Electronics


 
 

2. Physical properties of III­V semiconductors 
The III‐V semiconductors have become to the most  important materials in the optoelectronics 
area, due to their specific physical properties mainly due to their wide band gap. 

2.1 Crystal structure of III­V Semiconductors 
Most  semiconductors  crystallize  in  the wurtzite,  zincblende  and  rock‐salt  structure. Wurtzite 
can be considered as two  interpenetrating hexagonal close‐packed  lattices having tetrahedral 
arrangement of four equidistant nearest neighbors. The zincblende structure can be considered 
as  two  interpenetrating  face‐centered  cubic  lattices,  similar  to  diamond  structure  but with 
different  atoms  in  the  sublattice.  Rock‐salt  is  similar  to  zincblende  but  each  atom  has  six 
nearest neighbors compared with  four  in the zincblende structure  [35]. The crystal structures 
are shown in Fig. 1. 

 

Fig. 1 (a)Wurtzite structure; (b)Zincblende structure; (c)Rock‐salt structure; (d)Diamond structure 

The  III‐nitrides  crystallize  in  the  wurtzite  structure  at  ambient  temperature  and  pressure. 
Normally,  due  to  the  inherent  polarity  of  crystal  structure,  there  exists  a  spontaneous 
polarization  and  a  piezoelectric  polarization.  In  wurtzite  GaN,  the  centers  of  positive  and 
negative charges from the  ionicity of the Ga‐N bond are displaced from each other. Therefore 
electric  charges  appear  at  the  opposite  surfaces  of  the  crystal, which  lead  to  spontaneous 
polarization. Additional polarization  charges  result  from  the physical  strain when growing on 
substrates  with  different  composition  and  lattice  constants  (heteroepitaxy).  This  strain 
corresponds to the piezoelectric polarization.  

2.2 Energy bands of III­V Semiconductors 
Figure  2  shows  the band  gap  energies of most  III‐V  semiconductors. All  the  III‐nitrides have 
direct band gap,  implying direct transition at the Γ point  in the E∙k diagram (Fig. 3). The band 
gap energies of  III‐nitrides  span a wide  range  from 0.7 eV  (InN) over 3.4 eV  (GaN)  to 6.2 eV 
(AlN), covering infra‐red and ultra‐violet spectral ranges as well as the visible range. And the in‐
plane lattice constant a,  is 0.31 nm for AlN and to 0.36nm for InN.  

10 

 



 
 

 

Fig. 2 Band gap energies of most III‐V Semiconductors with respect to the lattice constant [36] 

 

Fig.3 Band gap structure of GaN 

11 

  states)  are  degenerate.  The  |   state  forms  a  subband  called  the  split‐off  band with  an 

The electronic band structure for GaN is displayed in Fig. 3. GaN is a direct band gap compound 
semiconductor with its highest energy point in the valance band and its lowest energy point in 
the conduction band  located in the same point, Γ,  in the k‐space. In a wurtzite crystal, the |  
state (corresponding to the   state) becomes unique because of the crystal field generated by 
the wurtzite structure, whereas the other two states |  and |  (corresponding to the   and  

 



 
 

12 

en ly 
 spin and fore form

bout 17 m er in ene

  (rectifying)  and Ohmic 
 

  onto a semiconductor surface, a Schottky contact is 

Fig. 4 Ideal diagram of metal n‐type Schottky contact: (a) before contact; (b) after contac ;                                           
Ideal diagram of metal p‐type Schottky contact: (c) before contact; (d) after contact [38]. 

ergy difference of approximate 10 meV. The states | ,  and | ,  have parallel 
magnetic moments from orbiting electrons and electron  there  heavy holes. 
The states | ,  and | ,  have antiparallel magnetic moments forming  light holes, 
which are a eV low rgy compared to the heavy holes [37]. 

2.3 Schottky and Ohmic contact of III­V Semiconductors 
Metal‐semiconductor  contacts  are  categorized  into  Schottky  contacts

 contacts  (non‐rectifying).  The  Schottky  contact allows  conduction  of  the  current  only under 
forward bias conditions. An ohmic contact, as the name  indicates follows Ohm’s Law. Current 
flowing through an ohmic contact is the linear function of the applied voltage and conduction is 
possible under both forward and reverse bias.  

2.3.1 Principle of Schottky contact   
When a metal is sputtered or evaporated
formed.  The  magnitude  of  the  band  bending  in  both  n‐type  and  p‐type  semiconductor  is 
displayed in Fig. 4 which also describes the operation of the Schottky contact. 

 

t

 



 
 

13 

 
When

A common way of employing the process image force lowering effect is to increase the carrier 

In Fig. 4,   is the potential barrier and   is the built‐in voltage. The difference between the 
Fermi  level  and  vacuum  level  is  termed  the  work  function,    and    for  metal  and 
semiconductor  respectively.  In  the  n‐type  case  where  ,  electrons  flow  from  the 
semiconductor with lower work function but higher energy states to the metal until the Fermi 
level aligned  to achieve  the  thermal equilibrium  [38].  In  the p‐type case, electrons  flow  from 
the metal to the semiconductor until equilibrium (and corresponding barrier) is reached.  

2.3.2 Principle of Ohmic contact   
The basic principle of ohmic  contact  is  similar  to  the principle of Schottky  contact. Electrons 
flow from the lower work function of the semiconductor/metal combination to the higher work 
function of metal/semiconductor. However, an ohmic contact only forms when the resistance 
within  the  contact  is negligibly  small  compared  to  the  resistance of  the  semiconductor.  The 
most important difference between the Schottky contact and ohmic contact is the width of the 
depletion region w.   

 

Fig.5 (a) Lower barrier height of Ohmic contact in n‐type semiconductor;                                                      
(b) Ohmic contact after high doping in n‐type semiconductor. [39] 

From Fig. 5(a), we see that moving up the Fermi level results in a lower potential barrier  and 
lower  built‐in  voltage .  In  this  case,  electrons  can  jump  over  the  barrier. Moreover,  the 
barrier height also decreases due  to  the  image  force  lowering effect.   an electron  from 
the  semiconductor  side  approaches  the metal‐semiconductor  interface,  a  positive  charge  is 
created  at  the metal  surface  due  to  the  repulsion  of  the  negative  charges.  Image  force  is 
defined as an attractive force between the positive charge and the electron [40].  

concentration. This can be achieved by through heavy doping of the semiconductor. It is also a 
method used commonly to reduce the thickness of depletion region. However,  it  is difficult to 

 



 
 

14 

5 7 10
10 10 Ω ·
 the   of optoelect

In contrast, to produce ohmic contacts to p‐type GaN one needs is to use metals having a larger 

 meV)  [43]. 

[44
ntact  resista

 

make ohmic contacts on wide band gap semiconductors. In such cases the general technique is 
to heavily dope the surface  layer to produce an  ‐ region near the surface to  form an  ‐n 
junction  [39].  In  this  case,  tunneling  will  dominate  the  current  transport  and  the  barrier 
becomes transparent to electrons in both directions displayed in figure 5(b).  

2.3.3 Ohmic contact for GaN 
For  the  formation  of  high‐quality  ohmic  contacts  to  GaN,  the  contacts  should  have  a  low 
Schottky barrier or the GaN needs to be heavily doped to allow carriers to tunnel through the 
barrier. Because the height of Schottky barrier depends on the work function of contact metals, 
for n‐type GaN, ohmic contacts can be easily formed by using metals having a work function   
that  is smaller than that of n‐GaN, e.g. In ( =4.12 eV), Al ( =4.28 eV) and Ti ( =4.33 eV) 
[41].  For  these  contacts  to  n‐GaN  with  a  carrier  concentration  of  ,  low 
contact  resistances  range  from    to    . These  resistances are  low enough  for 
good ohmic contacts and thus for operation ronic and electronic devices [42].  

work  function.  However,  it  is  difficult  to  form  good‐quality  ohmic  contacts  with  a  specific 
contact  resistance  that  is  lower  than 10  Ω · . This  is mainly due  to  the high  activation 
energy of the deep Mg acceptors  (134 Ni/Au contact has been commonly used to 
form  the  ohmic  contacts  to  p‐GaN  because  Ni  has  large work  function  =5.15  eV.  Ni/Au 
contacts  generally produce  a  specific  contact  resistance of 10  Ω ·   ]. Annealing  the 
Ni/Au  contacts  in  ambient  at  500  °C  results  in  a  specific  co nce  in  the  range  of 
10 10 Ω · [45].  

 

 

 

 

 

 

 

 

 



 
 

3. Impurities in III­V semiconductors 

3.1 Shallow impurities 
Shallow impurities are defined as impurities which are ionized at room temperature (25 meV). 
Shallow  impurities,  which  determine  the  conductivity  and  the  carrier  type  of  the 
semiconductor, can be either acceptors or donors.   A donor has an extra electron that can be 
excited  from the dopant to the conduction band, while an acceptor accepts electrons excited 
from the valence band thereby leaving a hole behind. 

3.2 Bohr’s hydrogen atom model 

15 

When an extra charge provided by a doping atom move through the lattice, it will be attracted 
by a weak potential at the ionized impurity atom. This electrostatic potential of a point charge 
is  the  so  called Coulomb potential. The Coulomb potential of  a positive point  charge  (+e)  in 
vacuum located at r is obtained from Poisson’s equation and is given in spherical coordinates by 
[46] 

                                                                   (3.1) 

where    is  the  permittivity  of  vacuum. When  this  is  compared  to  the  central  symmetric 
potential, or  the physical  system of a  charge and an  ionized  centre,  it  is  seen  that  it  can be 
described by Bohr’s hydrogen model. For  the Bohr hydrogen atom model,  to  simultaneously 
meet the conditions of a stationary circular motion of the electron around the proton and the 
quantization of the angular momentum of the electron, we introduce the Bohr radius (n=1) and 
the kinetic energy 

,          (n=1,2,3…)                                          (3.2) 

,          (n=1,2,3…)                           (3.3) 

This energy represents the energy required to remove the electron from the energy state n to 
an  infinite distance  from  the proton.  For n=1, an energy  =13.6eV  is  required  to  ionize a 
hydrogen atom [47]. 

  shallow  donors  ( , 5.8  )  in  III‐V 

Effective  Bohr  radius

g
impurities can be derived. 

3.3 Hydrogen­like donors and acceptors 
The  hydrogen  atom  model  can  be  applied  to

Semiconductors.  Such  donors  are  called  hydrogen‐like  donors.    and 
ionization energy are well predicted for such donors. In order to apply the model for dopants in 
semiconductors, we need to know the effective mass of carriers   and the dielectric constant 
ε of the semiconductor. Using these two parameters, the followin  properties of hydrogen‐like 

 



 
 

16 

,          (n=1,2,3…)                                              (3.4) 

,        (n=1,2,3…)                                          (3.5) 

For ground state n=1, we get the donor Bohr radius   and the donor ionization energy as 

⁄ ⁄ 0.53Å                                          (3.6) 

⁄ ⁄ 13.6                                  (3.7)     

where   is static dielectric constant ( ,   is the permittivity of vacuum) and   is the 

free  electron mass.  The  ground  state  energy   means  the  ionization
energy state to the band edge of the shallow impurity [47]. 

model  to  acceptors is 

tor stated  in cubic semiconductors 
    l

  energy  from  the  first 

Application  of  the  hydrogen  atom    in  III‐V  Semiconductors  more 
complicated due  to  their degenerate  valence band  structure.  In 1973, Baldareschi and  Lipari 
developed a now widely accepted model for shallow accep
with degenerate valence bands [47]. According to their calcu ation, 

                                                             (3.10) 

                                                    (3.11) 

where  the  parameter    is  the  so‐called  Luttinger  parameter.  And      is  a  function  that 
relates the acceptor ionization energy with the effective kinetic energy. 

The  effective mass  and  dielectric  constant  in GaAs  and GaN  is  presented  in  Table  1.  These 

 

 

 

 

values were used to calculate the energy levels of a few donor and acceptor impurities in GaAs 
and GaN (Table 2) according to the hydrogen model. 

 

 

 



 
 

17 

Table 1. Effective mass of electrons and holes and dielectric constant of GaAs and GaN.  Listed are the 
electron effective mass m , the heavy hole effective mass  , the light hole effective mass   and 

the dielectric constant   [48]. 

Material         

GaAs  .067  0.45  0.082  13.10  

GaN  0.15‐0.21  0.26  9.0 0.6 

 

Table 2. Shall energy levels for  and GaN and ties [49]. 

Material  Ener eV)  Acceptors  Ener eV) 

ow   GaAs  impuri

Donors  gy (m gy (m

GaAs  Si 

S 

5.  

6.0 

Mg 

Be 

28 

35 

28 

8

Ge  6.0  Si 

Sn  6.0  C  26 

GaN  Si  25   134 ‐35 Mg 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 



 
 

18 

. The Hall Effect  
  1879,  E.  H.  Hall  first  discovered  that  an  electromotive  force may  be  generated  across  a 

‐carrying conductor by placing the conductor in a magnetic field [50].This phenomenon 
attracted much interest over the years and it is well known as the Hall effect today. 

.  The  basic 
geometry for the Hall Effect is shown in Fig. 6.  

 

Fig. 6 Hall element showing critical dimensions and reference axes 

The basic principle underlying the Hall effect is the Lorentz force [51].  With expresses the force 
on a point charge due to an applied electromagnetic fields.  

                     (4.1) 

Steady  state  is  achieved when  0, which  reflects 

                    0                                                              (4.2) 

rrent

                                                                         ∑                                                                 (4.3) 

if we assume that all the carriers have the same velocity, we obtain 

4
In
current

4.1 The Hall effect principle 
When an applied magnetic field is perpendicular to the direction of the current flow, a voltage 
will  be  developed  across  the  Hall  element  and  is  referred  as  the  Hall  voltage

                                          

where v  is the velocity of the charge carriers and, E and B are the electric  field and magnetic 
field intensity respectively.  

that  the electric  field produced by  the 

carrier concentration gradient neutralizes the magnetic deflection given as 

                                                   

According to the expression of cu  density [52] 

 



 
 

19 

re  ∑ .                                               (4.4) 

n as 

                                                                  , whe

Related to the Eq. (4.2),   can be writte

                                                                                                                                                    (4.5) 

  

The Hall coefficient is defined as  

                                                                                                                                        (4.6) 

efficient
concentration, n, and also demonstrates the type of the carriers, negative  for electrons while 

rs  
Hall Effect  in semiconductors where there are both electrons and holes  involves not only the 

Considering  a  single  carrier  acting  in  the  net  electrostatic  force  ,  based  on  the 
, we acquire                                                 

From  Eq.  (4.6),  we  see  that  the  Hall  co   is  inversely  proportional  to  the  carrier 

positive for holes [51]. 

4.2 The Hall Effect in semiconducto

concentrations of electrons and holes, n and p respectively, but also the electron and hole drift 
mobilities, μ  and μ [53].  

relationship between drift velocity and mobility

For holes                                                          μ μ                                                           

For electron                                                   μ μ                                                       (4.7) 

                                           and                                      (4.8)          

                                                     0                                                 (4.9) 

From Eq. (4.7), we have 

At steady state, there is no net current along the y‐direction. 

                                                              and                                                      (4.10) 

Substituting  , μ ,  and Eq. (4.10) into Eq. (4.8) 

                                           μ    and      μ                                    (4.11) 

From Eq. (4.9), we get   which we substitute to Eq. (4.11) 

                                                        μ μ μ μ                                          (4.12) 

 



 
 

20 

long the x‐dire

μ

If we combine the expression with Eq. (4.12), we obtain the Hall coefficient  

                                                                         

The current a ction is given by 

                                        μ                            (4.13) 

                                                          (4.14) 

 coefficient in semiconductors depends on both 

 holes. When  μ μ 0,   will be positive, 
a

Virtually every major  semiconductor  laboratory makes use of  the Hall effect  to measure  the 
the polarity. Th

concentration  n  (or  p), mobility  µ  and  resistivity  ρ.  The  expressions  used  to measure  and 

                                 

From Eq. (4.14), we can conclude that the Hall

concentration and mobility of electrons and
nd vice versa. 

4.3 The Hall Effect measurement 

carrier  concentration and  to determine  e method  is  simple and yields  carrier 

calculate them are briefly stated below [54]. 

                                            
·
                                                                    (4.15) 

      μ                                                                                                                                               (4.16) 

 became
 potential

in  1958.  While  the  primary  conditions  demand  the  sample  to  be  flat,  homogenous  and 
isotropic, the most difficult part to realize   ohmic
contacts on the surface.  

h 
common  examples  are  displayed  in  Fig.  7. 

Consider the configuration displayed in Fig. 7(a), with a square sample with triangular contacts 
shape, perhaps  the most common  in use  today,  is also  the 

Where    is the Hall voltage, B the magnetic field strength,  I the current passing through the 
sample and d is the thickness of the sample layer. 

4.3.1 Van der Pauw structures 
The Van der Pauw measurement geometry  the most popular Hall effect measurement 
configuration after Van Der Pauw solved the  problem in a thin layer of arbitrary shape 

the van der Pauw technique  is to make true  

Althoug arbitrary shape is applicable, in practice a symmetrical shape is preferable because of 
the  ease  of  the  fabrication.  Some  of  the more 

at  the corners of  the square. This 
geometry used in our measurements. Unfortunately, the square shape is more sensitive to the 
finite‐contact‐size problem as compared with other configurations. In Fig. 7,   is the length of 
the contact points and   is the sample length. 

 



 
 

Generally,  /   is  supposed  to  be  less  than  0.1.  According  to  Fig.  8(a)  and  Fig.  8(b),  the 
uncertainty of  the  resistivity  for  this value will be  less  than 0.7% and  the deviation  from  the 
theoretical Hall  voltage will  be ~6%.  In  our  laboratory,  the  sample  is  cut  into  size  between 

3 3  and  4 4    with  a  contact  size  of  0.5  mm.  Thus,  0.125 0.16.  The 

resistivity  correction  factor  is  therefore  2%.  While  the  Hall  voltage  correction  factor  is 
10% 15%. According to Eq. (4.15) and Eq. (4.16), the correction factor for car  concentration 
and mobility  is calculat d as 17% and 2% resp

21 

rier
e ectively. Thus, a sample with a  longer periphery 

 con

uare; (b) Greek cross; (c) and (d) 
circles. 

Fig. 8 (a) Contact‐size correction factors for the resistivity of a square pattern; (b) Contact‐size 
correction factors for the Hall voltage of a square pattern. Here Θ is the Hall angle, defined as 

and smaller tact is preferred for Hall effect measurement. 

 

Fig.  7 Various Van der Pauw structures with finite contact size: (a) sq

 

 [55]. 

 



 
 

22 

4.3.2 Measurement method and errors analysis 
As  discussed  before  in  Eq.  (4.15)  and  Eq.  (4.16), we  can  calculate  the mobility  and  carrier 
concentration by measuring the value of Hall voltage and resistivity. Consider the sample with 
the square shape shown in Fig. 9.  

 

Fig. 9 A square shape for van der Pauw measurements: (a) resistivity; (b) Hall Effect. 

leaves  contact  j,  an age  is  measured  from  contact  k  to  contact  l.  Thus  without  the 
magnetic field, the resistivity ρ is written as follows: 

In Fig. 9(a), a current I flows from contact 2 to 1, and a voltage Vc is measured between contact 
3  and  4. We  define  the  resistance  , ⁄ , where  the  current  enters  contacts  i  and 

d  volt

   , ,                                                   (4.17) 

where   is determined from the transcendental equation: 

 
                                          (4.18) 

and Q  is the resistivity‐ratio calculated as  , ,⁄  and should be >1, otherwise  it should 

be inversed. By solving the equation system:  

 

 
                                                              (4.19) 

 

 
                                                    (4.20) 

we can al

for all four perm

so get the value of f by first calculating α as a function of Q. 

Furthermore, to average the resistivity ρ, we need to  include two other contact permutations 
and also need to reverse the current  utations. Then we obtain 

 



 
 

2 ·
1
8 , , , ,  , , , ,

 

where   and   are determined from   and  respectively [56]. 

Measuring the Hall voltage    is theoretically straightforward according to Fig. 9(b). However, 
in real measurements, the extraction of the Hall voltage is by vari
[57]: 

  the Etinghausen
e velocity v. Electrons with higher speed induce 

larger radius of gyration which make them reach one side of the semiconductor quickly. 
More electrons with higher energy accumulate 

a temperature difference between two sides generating the potential difference . 

(2) The  potential  difference  caused  by Nernst  effect.  T
point is different. When the current goes through them, contacts get heated, giving rise 
to  thermal  diffusion  current.  Similar  to Hall  Effect,  this  thermal  diffusion  current will 

ctrons, another 
kind of thermal electromotive potential   is generated between the contacts. 

(4) Due  to manufacturing difficulties and  the heterogeneity of  the material, even without 
external magnetic  field,  there  will  be  a  potential  difference  when  the  current  goes 
through it. 

 

(4.21)  

ous undesired effects such as 

(1) The potential difference caused by  effect. All electrons moving along 
the negative y‐axis do not have the sam

on one side than the other side. It arises 

he  resistivity within  each  contact 

generate a potential difference  . 
(3) The  potential  difference  caused  by  Righi‐Leduc  effect.  According  to  the  Etinghausen 

effect which arises from the different velocities of thermal diffusion ele

 

 

 

 

 

 

 

23 

 



 
 

24 

que  for  epitaxial  growth  that  occurs  on  a  heated 

owth  of 

 coined by Royer in 1928. Royer put forward several rules for the occurrence 
f epitaxy, the most important of which can be written as [58]: 

• There must be a matching of  symmetry between  the  contacting  crystal planes of  the 
substrate and overgrowth. 

• The misfit between parallel lattice rows at the interface must be less than 15%. 

oday, epitaxy  is used  in the commercial production of  light emitting diodes,  laser diodes and 
igh frequency transistors. Ideally, epitaxy should take place on a lattice matched substrate i.e. 

where the growth material is the same as the initial substrate, also known as homoepitaxy, or 
hen the semiconductor is perfectly matched to a substrate of another material, referred to as 

‐matched heteroepitaxy. The samples presented in this thesis were all produced by MBE. 

.1 General description of the MBE system 
MBE  growth  of  semiconductors  takes  place  in  an  ultra‐high  vacuum  (UHV)  environment.  In 
Fig.10 a schematic of a typical MBE system is shown. The solid sources materials such as Ga are 

an  angular distribution of  atoms or molecules  in  a beam, 

al  size of  the chamber. This  is  fulfilled  if  the  total pressure  is below 10  
torr. However, for growing a sufficiently clean epitaxial layer or epilayer, a typical gallium flux is 

nd residual vapor pressure   

  and  tantalum  are widely  used  for  the  shutters,  the 
  sources 

[59].  

 Molecular beam epitaxy  
Molecular  beam  epitaxy  (MBE)  is  a  techni
crystalline  substrate  surface.  Epitaxy  is described  as  the  controlled deposition of one  crystal 
upon  another  crystal.  This  process  produces  very  pure materials.  In  addition,  it  offers  the 
advantage  of  changing  growth material  within  a  few  atomic  layers,  suitable  for  gr
heterostructures.  

The  term  epitaxy  is  constituted  of  the  Greek  words  epi  meaning  “on”  and  taxis  meaning 
“ordered”, and was
o

T
h

w
lattice

5

placed  in effusion  cells  to provide 
which hits the surface of a single crystalline substrate. The substrate is heated to the necessary 
temperature and is continuously rotated to improve the homogeneity of growth. 

To reach the molecular beam conditions, the mean free path λ of the particles should be larger 
than  the geometric

10  atoms      corresponding  to a growth  rate of 0.5‐1µm/h,  the background or base 
pressure  should  not  exceed  10   torr.  This  is  concluded  from  the  requirement  that  the 
monolayer deposition times of the beams   and the back grou
should  fit  the  equation  10   [59].  Therefore,  UHV  is  essential  for  MBE  systems. 
Pyrolytic  boron  nitride  is  chosen  for  the  crucibles which  are  thermally  stable  up  to  1400°C. 
Refractory metals  such  as molybdenum
heaters and other  components.  In  addition, only ultrapure materials  can be used as

 



 
 

25 

MBE s  pe mit
the  n

 o  of
ctron diffracti

able during suboptimal growth conditions for nitride layers. 

 

Fig. 11 Intensity oscillations of the specular beam in the RHEED pattern from a surface. The period 
corresponds to the growth rate of exactly a monolayer [62]. 

 

Fig. 10 A typical MBE system [60]. 

  system r s  the  control  of  composition  and  doping  of  growing  structures  at  the 
monolayer  level  by  changing  ature  of  the  incoming  beam  just  by  opening  and  closing 
mechanical shutters. The UHV environment f the system is also important for the operation  
reflection high energy ele on (RHEED). The RHEED shows the diffraction from the 
sample  surface  in  real  time  and  gives direct  information on  the  state of  the  surface. RHEED 
oscillations  (Fig.  11)  accurately  yield  the  growth  rate  during  the  growth  of GaAs  layer  [61]. 
Unfortunately, due  to  the  specific growth conditions  for nitrides, RHEED oscillations are only 
observ

 



 
 

26 

5.2 Epitaxial growth of III­
th and

 employed for growing GaN‐
based materials. Table 3 lists the disadvantages related to heteroepitaxy of GaN. 

Table 3. Challenges commonly encountered with heteroepitaxy [64]. 

Substrate property  Consequence for a substrate 
 

nitrides 
For III‐nitrides growth,  ere are two dominating epitaxial technologies, MBE   metal‐organic 
vapor phase epitaxy  (MOVPE). The greatest problem  concerning  III‐nitrides epitaxy growth  is 
the  lack  of  an  inexpensive,  sufficiently  large  ( 1 )  and  lattice‐matched  substrate  of 
sufficiently high quality. 

5.2.1 Substrate for GaN growth 
Choosing a proper substrate  is an  important task for growing GaN crystal film of good quality. 
Due  to  high melting  point  of  GaN  and  the  high  vapor  pressure,  it  is  difficult  and  costly  to 
fabricate a GaN substrate [63]. Therefore, heteroepitaxy is usually

Lateral mismatch of lattices 
 

High‐tension leakage currents of an unit due to high 
density of dislocations; short life times of minority 
charge carriers; decrease in specific thermal 
conductivity; accelerated diffusion of impurities 
 

Vertical mismatch of lattices 
 

Counter‐phase interfaces; boundaries of inversion 
domains 

 
Sur
substrates 

face steps in non‐isomorphous  Mismatch boundaries of packing 
 

Discrepancy between thermal 
conductivity coefficients 

Stra

 

in thermally induced in a film 

Low thermal conductivity coefficient  Weak dissipation of heat 
 

Difference in chemical composition 
as compared to that of an epitaxial 

Contamination of film with substrate elements; 
boundary electronic stales made by broken bonds; poor 
wetting of a substrate with growing film film 

   
 

Using a  foreign  substrate  for nitride growth, a number of  factors  such as  crystal orientation, 
polarity and concentration of defects of the epitaxial film will be effected. A detailed review of 
different substra

Research oped homoepitaxial  su needs  some 
improvements. Several substrates are compared in Table 4 [64]. 

tes for GaN growth was made by Liu et al [64].  

ers have also devel bstrates, but  the process  still 

 



 
 

27 

Table 4 Display the properties of several different substrates. Listed ar the crystal structure, lattice 
mal condu

Substrate 
Material 

Crystal 
structure 

    (W/cm∙K) 

ermal 
ion 

coefficient (106 K) 
 

e 
constant, ther ctivity and thermal expansion coefficient [64]. 

Lattice Constant 
(nm) 

Thermal  
conductivity 

Th
expans

  a‐,c‐axis
GaN  Hexagonal  843 

c=0.518524 
2.1  5.59,6.30 a=0.318

Sapphire  Hexagonal  a=0.4765  0.23~0.25 
c=1.2982 

7.5,4.33 

6H‐Silicon 
carbide 

Hexagonal 
c=1.51173 

4.46,4.16 a=0.30806  3.6‐4.9 

Silicon  Cubic  a=0.543102  1.56  2.59 

γ‐Lithium  Tetragonal 
aluminate 
(LiAlO2) 

a=0.5169  2
c=0.6267 

.83  7.1,15 

 

5.2.2 Growth of III­nitride layer 
 

 MBE growth of GaN most 

bility. A key parameter for III‐
nitride  growth  is  the  III‐V  ratio.  For GaN, when  increasing  the  III‐V  ratio  to  >>1,  the  growth 
co h 
surfaces  and  p rming  on  the 
surf se also negat layer    [67]. Opt wth 
cond   reache a‐stable  (s  Ga‐rich) ving  sm es, 
higher crystal quality and better optical and el trical proper

 

 

 

 For  III‐nitrides materials,  the material  quality  is  highly  sensitive  to  the  growth conditions. 
Growth temperature  influences the growth of GaN, AlN and  InN by varying the  incorporation 
rate,  desorption  rate  and  thermal  decomposition.  Typically,  GaN  and  AlN  have  1µm/h 
decomposition  rates at 850  °C  [65] and 1400  °C  [66]  respectively.
often takes place at  700 750° . When the temperature  is reduced, a deterioration of 
material quality is often observed due to lower surface atom mo

nditions go from nitrogen rich to gallium rich. Nitrogen‐rich surface gives material with roug
oor  crystalline  quality.  A  Ga‐rich  surface  shows  Ga  droplets  fo

ace and  the
itions  are

 have a 
d  under G

ive effect on  the 
lightly

properties
  conditions  gi
ties.  

imum gro
ooth  surfac

ec

 



 
 

28 

6. Experiments  

6.1 H ct Setup 
The Hall Effect setup includes three main parts: Sample holder, electronic control and computer 
rogram. Figure 12 shows the Hall Effect setup in the MBE lab. 

 
 lab 

In Fig. 12,  to  the upper  left  is  the  lab computer which  runs  the Hall Effect program and data 
processing shown.  In the  left‐bottom picture, the turbo pump  is shown. This pump can pump 
the  system  to 10   torr.  It  is  connected  to  the  cryo  sample holder.  This  can be used  to do 
temperature dependent Hall  Effect measurements.  To  the  right of  the pump,  the  two black 
cylindrical  objects  are  the  electromagnets.  The  holder  is  inserted  between  these  magnets 
during measurement. To  the  right  in Fig. 12,  several different electronic  instruments used  to 
control  the  system are arranged  into a  rack. These  instruments are connected  to each other 
according to the schematic shown in Fig. 13.  

all Effe

p

Fig.12 The Hall Effect setup in the MBE

 



 
 

29 

Figure 13 shows the outline of the backside of the system control rack (right picture in Fig. 12).  

source while  3478A  is  a  voltage  source. Both of 
them transfer the signal data to the HP 3478A I/O from the front side of the frame. The 3478A 

 
resistivity and  temperature will be  transferred  into  the computer program  through 3478A. A 
potentiometer  is used  to change magnetic  field  strength. Using a magnetic probe, we  tested 
the magnetic field strength with change of the potentiometer to calibrate the magnetic field.  

 

Fig. 13 Schematic of the Hall Effect system control rack. 

The series 5500 is employed to control the temperature and output the temperature value. The 
59306A unit  is applied to cool the cryo sample holder and give feedback on the temperature. 
The 3488A device can be referred as the core instrument which switches the operation of the 
multimeter, power supplies, signal analyzers and other instruments. All units are controlled by a 
computer program.  The  6186A  is  a  current 

is  sensitive  enough  to measure  the  extremely  small  voltages  and  currents. Voltage,  current,

 



 
 

30 

First, we checked the stability and the degree of accuracy of the magnetic system. The magnetic 
field strength was measured along axes via varying the distance from the zero point “O” to both 
negative and positive directions. From Fig. 14, we  can generally  conclude  that  in  the  central 
2 2 2   cube, the magnetic field strength  is fairly constant. And the error  is determined 
by divided the difference of magnetic field strength between points zero and 1 cm (or ‐1 cm) to 
the total magnetic field strength.  The number is within 5% for X axis, 2.5% for Y axis and 2.7% 
for Z axis. 

 

e 
magnetic  field. The value of  the magnetic  field strength  in Fig. 15  is comparable  to  the value 
obtained  from a calibration performed  in Sep. 8th, 1995  (potentiometer 900 corresponds to a 

Fig. 14 (a) Sketch of the magnetic poles in three dimensions; (b)the magnetic field strength (Gauss) vs. 
distance (cm) along axis X; (c) the magnetic field strength vs. distance along axis Y; (d) the magnetic field 
strength vs. distance along axis Z. 

The magnetic probe was inserted between the magnets to test the magnetic field strength via 
changing the value of potentiometer. The plot is shown in Fig. 15. The potentiometer changes 
the  current  supplied  to  the  electromagnets,  thus  altering  the  value  of  the  magnetic  field 
strength. According to Fig. 15, the magnetic field strength is approximately linear with respect 
to the range of the potentiometer. The cryo holder gives a larger magnetic field strength using 
the  same potentiometer  setting, because of  the  smaller distance between  the  two magnetic 
poles  for  the  cryo  holder.  The  smaller  the  distance  between  the magnets  is,  the  larger  th

 



 
 

magnetic field of 5500 Gauss at room temperature on the holder and to 6500 Gauss in the cryo 
holder). Therefore, we can conclude that this system has been stable for 16 years. 

 

31 

Fig. 15 The magnetic field strength vs. potentiometer setting in (a) Room temperature holder; (b) Cryo 
holder. 

A second Hall effect system is used to verify some of our measurements. This machine is shown 
in Fig. 16. The sample was inserted into the white plane with four electronic probes contacted 
with four corners. The back half of the machine supports the magnetic field. The drawback with 
this system is that it cannot do continuous temperature dependent Hall Effect measurements.  
Only two temperature points can be obtained  from this setup, room temperature and at 77K 
(liquid nitrogen). 

 

Fig. 16 The Hall Effect machine on 6th floor 

 



 
 

6.2 Measurement Procedure 

32 

6.2.1 Sample preparation 
To measure a new sample, the first step is to check whether the sample is conductive or not on 
the  surface using a multimeter. The  sample was cut  into 3 3   pieces using a diamond 
scriber.  For  the  contact  preparation,  the  sample was  placed with  the  epitaxial  layer  up.  A 
narrow‐tipped soldering iron was used to solder indium on each of the corners. The sample was 
fixed  to  the  sample holder by  a drop of wax.  Silver paint was used  to  connect  the  soldered 
indium  contacts with  the  copper  strips on  the holder.  The  connections were  tested with  an 
Ohmmeter. If all connections gave approximately the same resistance, the sample was ready to 
be measured. The process is shown in Fig. 17. 

Fig.17  The  process  of  the  sample  preparation:  (a)cutting    the  sample  into  3 3  ;  (b)making 
contacts using soldering  iron;  (c)cutting  the sharp  tip of  the  indium contacts;  (d)  ,(e) and  (f)  fixing  the 
sample on  the holder and using  silver paint  to connect  indium contacts with  copper  strips of  the 
holder. 

 

  the

 



 
 

6.2.2 Sample measurement 

33 

The  sample was mounted  into a groove of  the chosen holder. The contacts were verified by 
ce between the copper leads of the holder. All four should show 

e mounted

simply measuring the resistan
close to zero resistance. For the cryo holder, there is a protection cap that needs to be screwed 
on before the measurement. Also a vacuum shield has to b . The turbo pump is used 
to  pump  down  for  at  least  an  hour  before  starting  the  cryostat  if  a  low  temperature 
measurement  is  performed.  The  software  control  interface  is  shown  in  Fig.  18.  Before  the 
measurement,  the Hall  current  needs  to  be  set manually.  The magnetic  field  has  to  be  set 
manually  via  the  potentiometer.  The  measurement  is  started  by  clicking  on  “Start 
Measurement”.  

 

Fig. 18 Computer interface to the Hall Effect program 

 



 
 

34 

 

   
rements. 

Table 5 Hall Effect measurement results of GaN/GaN in room temperature. Listed is the thickness of the 
growth layer, the material of growth layer/ template, the Si source temperature (TSi ), the resistivity, the 

mobility and the carrier concentration of the specific sample. 

Sample  Thickness 
(µm) 

Material  TSi       
 (°C) 

Resistivity 
(Ω∙cm) 

Mobility 
( /V∙s) 

Electron carrier 
Concentration 

( ) 

7. Results and Discussion
Table 5 shows the results of a series of Hall Effect measurements at room temperature. All the 
samples are GaN grown on GaN  templates. GaN  template used  in our experiments  is 3‐4 µm 
insulating GaN layer grown on the sapphire substrate giving the size of circle with diameter of 5 
cm. Sample 1550  is  insulating. Sample 1547 and 1556 didn’t generate a current‐voltage  (I‐V) 
curve but gives value of the resistivity, mobility and the carrier concentration under the current 
of 0.1 µA and 0.01 mA  respectively. Sample 1603 provides a non‐liner  I‐V  curve which gives 
unreliable values. All other samples are conducting and have a linear I‐V contact characteristic 
for 0.1mA/0.5mA, behaving as ohmic contact in this interval, which is a requirement for reliable 
Hall effect measu

1545  0.7  GaN/GaN  1390  0.0151  48.2  1.19e+19 

1546  0.7  GaN/GaN  1350  0.476  29.8  6.16e+17 

 1547  0.56  GaN/GaN  1300  Bad contacts 

1550  0.7  GaN/GaN  Undoped  Not conducting 

1556  0.14  GaN/GaN  Undoped  Bad contacts 

1557  0.7  GaN/GaN  1390  0.0286  27.7  1.10e+19 

1558  0.7  GaN/GaN  1380  0.203  6.78  6.37e+18 

1559  0.7  GaN/GaN  1395  0.0175  48.2  1.03e+19 

1601  0.294  GaN/GaN  1370  0.169  24.2  1.52e+18 

1602  0.456  GaN/GaN  1398  0.00575  89.9  1.21e+19 

1603  0.42  GaN/GaN  1330  Non‐linear I‐V curve 

 

 

 



 
 

35 

mples which are intentional doped by Si source and showing 

  gave  a  value  of  1.21 10   .  This  value  is  very  high, when 

shape, contacts pro  was performed 
by  of the nts is  the  error  This
as at  GaN:Si grown

 

Fig. 19 Electron concentration vs. Si source temperature  

First, we compare the GaN/GaN sa
a  good  conductivity. The  carrier  concentration  as  a  function of  the  Si  source  temperature  is 
shown  in Fig. 19. A Si source temperature of 1390 °C resulted  in an electron concentration of 
1.15 10  cm .  

As expected, Fig. 19 shows an exponential relationship between the Si source temperature and 
the  carrier  concentration.  A  change  of  10‐15  °C  of  the  Si  source  temperature  results 
approximately  in  a  factor  two  in  the electron  concentration.  This  rate  is  slightly higher  than 
what has been reported in the literature (a factor two per 15‐20 °C). The cause could be a lower 
sensitivity of the temperature control. The highest carrier concentration was achieved with the 
Si  source  at  1398°C which
compared to a recent report  [68]. Normally, the error of Hall measured carrier concentration 
has a  range  from 20%  to 50% due  to a  series of  issues  such as  the  imperfect  square  sample 

blem and stability of the Hall setup. In Fig. 19, the error bar
 30%. The
 a calibr

 deviation
ion for the

 data poi
 layer 

 within
r MBE

 expected
 system later.

 limits.
 

 figure is used 
 in ou

 



 
 

We also grew sample 1543, 1601 and 1604 which are GaN grown on different substrates with 
other parameters staying the same. The results are displayed in Table 6. 

Table 6 Hall Effect measurement results of GaN grown on different substrates at room temperature. 

36 

Listed is the thickness of the growth layer, the material of growth layer/substrate, the Si source 
temperature (TSi ), the resistivity, the mobility and the carrier concentration of the specific sample. 

Sample  Thickness 
(µm) 

Material  TSi        
(°C) 

Resistivity 
(Ω∙cm) 

Mobility 
( /V∙s) 

Electron  carrier 
Concentration 

( ) 

1543  0.5  GaN/Sapphire  1370  0.223  6.67  4.23e+18 

1601  0.294  GaN/GaN  1370  0.169  24.2  1.52e+18 

1604  0.14  GaN/6H‐SiC  1370  2.57e‐05  139  1.74e+21 

 

The GaN  layer  grown on  sapphire  shows  approximately 3  times higher  carrier  concentration 
than the sample grown on GaN. This is much higher than expected since the defects related to 
heteroepitaxy usually  results  in  lower  carrier  concentrations. We believe  that  the  reason  for 
this  high  carrier  concentration  is  the  growth  conditions  for  GaN/sapphire.  Here,  an  AlN 
nucleation  layer  is deposited on  the  sapphire  substrate before  the GaN  layer  is  started. The 
sapphire/AlN/GaN  interface  can  create a 2DEG  [69] which will heavily  impact  the Hall Effect 
measurements.  This  is  displayed  in  Fig.  20.  The GaN  layer  grown  on  sapphire  has  a  defect 
density  that  is 10  to 100  times higher  than GaN/GaN  layers. GaN  thin  film grown on 6H‐SiC 
shows an ultrahigh carrier concentration of ~10 . This  is mainly due to the conductive 
substrate (unintentionally doped). The carrier concentration measured  in Hall measurement  is 
the total carrier concentration of both GaN  layer and 6H‐SiC substrate which  is about 300 µm 
thick. Another reason can be the additive Si doping source from the SiC substrate. 

 

Fig. 20 The diagram of the layer grown in sample 1543 GaN/sapphire. 

 

 

 



 
 

37 

Table  7  illustrates  th grown  on  sapphire 

Table  
thickness ), 

Material

e  results  of  Hall  Effect  measurements  of  AlGaN 
template with  various  compositions of Al  and Ga.  Sample 1427  is not  conductive.  The main 
obstacle refers to the difficulty of Si doping process of the pure AlN materials due to the wide 
band gap energy (6.2 eV).  

 7 Hall Effect measurement results of AlGaN with various compositions of Al and Ga. Listed is the
 of the growth layer, the material of growth layer on sapphire, the Si source temperature (TSi 

the resistivity, the mobility and the carrier concentration of the specific sample. 

Sample  Thickness 
(µm) 

  TSi  
(°C)

     
 

Resistivity 
(Ω∙cm) 

Mobility 
( /V∙s) 

Electron carrier 
Concentration 

( ) 

1427  0.5  AlN  1 No ucting 310  t cond

1438  0.5   . . 1350  0.143  33.9  1.28e+18 

1439  0.5   . . 1350  0.159  146  2.69e+17 

. .   1350  0.175  64.9  5.49e+17 1440  0.5 

 

From  table 7, we see  that  the highest carrier concentration was achieved by  . . . As 
have been observed previously by others [70], the free carrier concentration in Si‐doped AlGaN 
alloys decreases as the Al content is increased, because of the difficulties in AlGaN. In our work, 
an  electron  concentration  as  high  as  1.28 10   and  resistivity  as  low  as  0.143  Ω∙cm 
have been determined by room temperature Hall measurement for sample 1438. The resistivity 
is  a  significant  higher  than  the MOCVD  grown  . .   films  reported  earlier  having  a 
resistivity  of  ~10 Ω · .  Also  the  carrier ration  is  lower  compared  to  8.8
10  found  in the  literature [71]. Sample 1440  is comparable to the  literature [72]. Here 
they  grew  a  1.8  µm  Si  doped  . .   layer  which  showed  a  carrier  concentration  of 
3 10  and an excellent mobility of 80  /V∙s.  It was expected that samp

  concent

le 1439 have 
a carrier concentration value between samples 1438 and 1440. Instead it had the lowest carrier 
oncentration. The reason could be the Si source which has a performance that fluctuates over 
time.  

 

 

 

 

c

 



 
 

38 

Sample MBE‐II‐1 loma work for 
 the stability of the Hall setup. It gives a resistivity of 0.878 Ω∙cm, a mobility of 7707.8 

/  and a carrier concentration of 9.22 10    at room temperature.  We performed 

(a)                                                   (b

 

Temperature dependent Hall measurements on a GaAs  layer  (a) resistivity vs. temperature;  (b) 
obility  vs.  temperature;  (c)  carrier  concentration  vs.  temperature  and;  (d)  Arrhenius  plot  for 

calculation of the donor activation energy.  

75 is an n‐type GaAs layer, used as a reference sample in this dip
checking

temperature dependent Hall Effect measurements on this sample.  The results are displayed in 
Fig. 21. 

 

                           ) 

 

 (c)                                                                          (d) 

Fig. 21 
m

 



 
 

39 

rom  Fig.  21, we  can  conclude  that  only mobility  declines with  increased  temperature.  The 
resistivity  and  carrier  concentration  increase  with  temperature.  In  Fig.  21  (c),  a  dramatic 
ecrease  is  found  when  the  temperature  around  60  K.  In  room  temperature  (300  K),  the 
hermodynamic energy kT is about 25.8 meV. For the GaAs doped with Si, the activation energy 
is 5.8 meV  (Table 2) corresponding  to  the  temperature of 67 K. Thus when  the  temperature 

is the so actice, the carrier c

ons occur  in the curve and are probably due to the  instability of the Hall 
setup. 

An Arrhenius plot is used as a common way to present data. According to Arrhenius equation: 

⁄  

Where k is the rate constant,   is the Boltzmann constant, T is the absolute temperature and 
 is the activation energy.  We plot the logarithmic of the carrier concentration as a function 

of  the  inverse  of  the  absolute  temperature.  The  Arrhenius  plot  based  on  our  sample  is 
displayed  in  Fig.  21(d).  By  taking  the  logarithm  of  the  Arrhenius  equation,  the  slope  of  the 

Arrhenius plot can be expressed as 

F

d
t

goes down to 67 K, the thermodynamic energy  is not  large enough to excite the Si donors to 
the conduction band of GaAs and the carrier concentration falls down to close to zero. And 67 K 

 called freeze out temperature. In pr oncentration cannot fall to zero 
immediately. But we still observe a significant decrease  from 60 K and  finally to zero at 30 K. 
Other  large  fluctuati

. 

In  Fig.  21  (d),  the  slope  of  Arrhenius  plot  is  about  ‐37.3.  The  activation  energy  of  GaAs  is 
calculated as below 

When comparing this value to 5.8 meV, it turns out a difference but still within our expected. 
The reason could be various mainly due to the uncertain issues of the Hall setup. 

We are planning to do the similar temperature dependent Hall measurement on the previous 
GaN:Si/GaN samples and also calculate the activation energy of GaN material. Unfortunately, 
the Hall setup did not work well after finishing this GaAs:Si experiments. 

 

 

 

 

37.3 3.23  . 

 



 
 

40 

8. Summary and F

s study, electrical characterizations of GaN and AlGaN 
thin films doped with Si source were investigated by Hall effect measurements.  

 content  is  increased. The difficulties  in doping AlGaN alloys with higher Al content  is 
 

our work group were much reasonable compared to the literature.  

Due to time constraints and a catastrophic failure of the Hall (and the capacitance‐voltage (CV) 

re

With  decreasing  Si  source  temperature,  the  carrier  concentration  of  GaN/GaN  decreases 

d needs more investigation. CV measurement is a valuable tool that can be 
used to learn more details about the electrical properties of GaN:Si and AlGaN:Si. 

 

uture Work 
This thesis work has been done in the Photonics and Microwave Electronics Laboratories in the 
Department of Microtechnology and Nanoscience (MC2) at Chalmers University of Technology 
during the  first half of year 2011.  In thi

GaN:Si grown by MBE system shows an increasing carrier concentration when the Si source cell 
temperature is increased. The highest carrier concentration of GaN:Si was obtained at Tsi= 1398 
°C, yielding a value of  1.21 10   . The highest measured mobility is 89.9  /V∙s, which 
is within  the  demands  of  device  applications. GaN:Si  grown  on  different  templates  showed 
various  conductive  properties mainly  due  to  the  defects  caused  by  the  lattice‐mismatch.  A 
2DEG  behavior was  observed  during  the measurement  of  the GaN/sapphire  sample.  It was 
suggested  that  the  AlN  nucleation  layer  deposited  on  the  sapphire  substrate  generates  an 
AlN/GaN heterostructure.  

AlGaN:Si alloys with different Al content were also studied. The carrier concentration decreases 
as the Al
well known and was confirmed by  this experiments. The measurement values obtained  from

setup),  temperature  dependent  Hall  effect  measurements  were  only  performed  on  the 
ference GaAs sample.  

GaN  grown on  SiC  templates  is  another  suggestion  for  future work.  Insulating  SiC  templates 
should be used to remove the effects from the substrate. 

slightly faster than what has been reported in the literature. The cause for this effect is as the 
present unknown an

 

 

 

 



 
 

 

41 

 

ics and chemistry of semiconductors –  from doubts  to 

[3] T. K. Sarkar, R. Mailloux, A. A. Oliner, M. Salazar‐Palma, and D. L. Sengupta, The History of 

ductor Surfaces a r, 20

[9] J.V. Lirmann and H.S. Schadanov, Acta Physicochim. URSS 6, 306, 1937. 

 and J.E. Berkeyheiser, RCA Rev. 32, 383, 1971. 

.

. 

6] S. Nakamura, Japn. J. Appl. Phys. Part 2, 30, L1705, 1991. 

7] H.Amano, M. Kito, K. Hiramatsu, and I. Akasaki, Jap. J. Appl. Phys, 28, L2112, 1989. 

Reference
 

[1] G. Busch, “Early history of  the phys
fact in a hundred years”, Eur. J. Phys., vol. 10, no. 4, pp. 254–263, 1989. 

[2]  F.  Laeri,  F.  Schüth,  U.  Simon,  and M. Wark,  Host‐Guest‐Systems  Based  on  Nanoporous 
Crystals. Weinheim: Wiley, 2003, pp. 435–436. 

Wireless. Hoboken: Wiley, 2006. 

[4] W. Mönch, Semicon nd Interfaces. Berlin‐Heidelberg: Springe 01. 

[5]  Z.  A.  Smith  and  K.  D.  Taylor,  Renewable  and  Alternative  Energy  Sources:  A  Reference 
Handbook. Santa Barbara: ABC‐CLIO Inc., 2008, p. 157. 

[6] J. Perlin, From Space to Earth: The Story of Solar Electricity. Cambridge: Harvard University 
Press, 2002, p. 17. 

[7] L. Hoddeson, E. Braun, J. Teichmann, and S. Weart, Out of the Crystal Maze: Chapters in the 
History of Solid State Physics. New York: Oxford University Press, 1992. 

[8] F. Fichter, Uber Aluminiumnitrid, Z. Anorg. Chem. 54, 322, 1907. 

[10] H.P. Maruska and J.J. Tietjen, Appl. Phys. Lett, 15, 327, 1969. 

[11] J.I. Pankove, E.A. Miller,

[12] H.M. Manasevit, F.M. Erdmann, and W.I. Simpson, J. Electorchem. Soc, 118, 1864, 1971. 

[13] R. Dingle, K.L. Shaklee, R.F. Leheny, and R.B  Zetterstrom, Appl. Phys. Lett, 19, 5, 1971. 

[14] S. Yoshida, S. Misawa, and S. Gonda, Appl. Phys. Lett. 42, 427, 1983. 

[15] H. Amano, N. Sawaki, I. Akasaki, and Y. Toyoda, Appl. Phys. Lett. 48, 353, 1986

[1

[1

 



 
 

42 

8] S. Nakamura, T. Mukai, M. Senoh, and N.Iwasa, Jpn. J. Appl. Phys, 31, L139, 1992. 

9] S. Nakamura, T. Mukai, M. Senoh, S. Nagahama, and N. Iwasa, J. Appl. Phys, 74, 3911, 1993. 

[20] M.A. Khan, S. Krishnankutty, R.A. Skogman, J.N. Kuznia, and D.T. Olson, Appl. Phys. Lett, 65, 
20, 1994. 

[21] S.T. Kim, H. Amano, ans I. Akasaki, Appl. Phys. Lett. 67, 267, 1995. 

2] H. Amano, Appl. Phys. Lett, 64, 1377, 1994. 

[26] S. Nakamura, Appl. Phys. Lett, 72, 2014, 1998. 

hatarai, and D.T. Olsen, Appl. Phys. Lett, 62, 1786, 1993. 

 Tech. 
Dig. Int. Electron Devices Meet. 94, 389, 1994. 

n, A.O. Orlov, G.L. Snider, and M.S, Shur, 
Appl. Phys. Lett. 72, 707, 1998. 

://nina.ecse.rpi.edu/shur/nitride. 

itride, and II‐VI ZnSe‐based 
semiconductor device technologies", Journal of Applied Physics, 1994. 

[33]  http://powerelectronics.com/passive_components_packaging_interconnects/resistors/sic‐

tubes", Nature 422 

‐11, 
September, 1981. 

[36] http://www‐opto.e‐technik.uni‐ulm.de/lehre/cs/ 

[1

[1

5

[2

[23] A.S. Zubrilov, Appl. Phys. Lett, 67, 533, 1995. 

[24] S. Nakamura, Jpn. J. Appl. Phy,. 35, L74, 1996. 

[25] I. Akasaki, Electon. Lett. 32, 1105, 1996. 

[27] M.A. Khan, J.N. Kuznia, A.R. B

[28] J.I. Pankove, S.S Chang, H.C. Lee, R. Molnar, T.D. Moustakas, and B. van Zeghbroeck,

[29] R. Gaska, J.W. Yang, A. Osinsky, Q. Chen, M.A. Kha

[30] M.S. Shur, http

[31]  S.  Strite  and  H. Morkoc.  Journal  of  Vacuum  Science &  Technology  B, microelectronics 
Processing and Phenomena, 10(4): 1237‐66, 1992. 

[32] S. Strite, G.B. Gao, M. Burns (1994), "Large‐band‐gap SiC, III‐V n

gan‐vie‐slice‐electric‐vehicle‐pie‐20091101/ 

[34] R. He, Y. Zhang, S. Lee and P. Yang, "Single‐crystal gallium nitride nano
(6932): 599–602, 2003. 

[35]  S.M.  Sze,  “Physics  of  Semiconductor  Devices  (2nd  Edition)”, Wiley‐Interscience,  p.  9

 



 
 

43 

  and 
challenges, IEEE Transactions on electron devices, Vol.57, No.1, Jan 2010. 

[38]  Donald  A.  Neamen,  Semiconductor  Physics  and  Devices:  Basic  Principles  (2nd  Edition), 

 304‐306, 

ysics, p.115‐116, 2010. 

Raton, FL: CRC Press, pp. 
12–122, 1996. 

[42] June O Song, Jun‐Seok Ha, and Tae‐Yeon Seong, “Ohmic contact Technology for GaN‐Based 
 Transations on Electron Devices, Vol.57, 

 Bour, and R. A. Street, “Activation of acceptors in 
Mg‐doped GaN grown by metalorganic chemical vapor deposition,” Appl. Phys. Lett., vol. 68, 

d M. 

[45]  Y.  Koide,  T. Maeda,  T.  Kawakami,  S.  Fujita,  T.  Uemura,  N.  Shibata,  and M. Murakami, 

, no. 3, pp. 341–346, Dec. 1999. 

  for  positive  ions”,  Philosophical 

‐State  Devices”,  Rensselaer  Polytechnic 

tbook of Semiconductor 

 their Heterostructures”, McGraw‐Hill, New York, 

[37]  H. Masui,  Nonpolar  and  semipolar  III‐nitrides  light‐emitting  diodes:  achievements

January 1, 1997. 

[39] S.M. Sze, “Physics of Semiconductor Devices (2nd Edition)”, Wiley‐Interscience, p.
September, 1981. 

[40] Thorvald Andersson, “Semiconductors and Heterostructures”, textbook of Semiconductor 
Material Ph

[41] D. R. Lide, CRC Handbook of Chemistry and Physics, 77th ed. Boca 

Light‐Emitting Diodes: Role of P‐Type Contact”,  IEEE
No.1, Jan. 2010. 

[43] W. Götz, N. M. Johnson, J. Walker, D. P.

no. 5, pp. 667–669, Jan. 1996. 

[44] H.  Ishikawa, S. Kobayashi, Y. Koide, S. Yamasaki, S. Nagai,  J. Umezaki, M. Koike, an
Murakami, “Effects of surface treatments and metal work functions on electrical properties at 
p‐GaN/metal interfaces,” J. Appl. Phys., vol. 81, no. 3, pp. 1315–1322, Feb. 1997. 

“Effects of annealing in an oxygen ambient on electrical properties of ohmic contacts to p‐type 
GaN,” J. Electron. Mater., vol. 28

[46]  I.V.  Abarenkov  and  V.  Heine,  “The  model  potential
Magazine 12, 529, 1965. 

[47]  E.F.  Schubert,  “Physical  Foundations  of  Solid
Institute, P. 1‐18, Chapter 15, 2009. 

[48] Thorvald Andersson, “Semiconductors and Heterostructures”, tex
Material Physics, p.50, 2010. 

[49] J. Singh, “Physics of Semiconductors and
1993. 

 



 
 

[50] E.H. Hall, On a New Action of the Magnet on Electrical Current, Amer. J. Math.2, 287‐292, 
1879. 

44 

ena”,  Solid‐State Electronics, Vol.9, 339‐
351, 1966. 

rsity Press, Ely House, 
London, Chapter 3, 61, 1965. 

all Effect in Semiconductors, e‐Booklet, 2001. 

t of Physics, Chalmers University of Technology, 1991. 

[56] D.C. Look, Electrical Characterization of GaAs Materials and Devices, 9‐12(1989). 

se.tju.edu.cn/physics/syjx/jxnr/cha3/s19.html 

do,  Basics  of  Molecular  Beam  Epitaxy  (MBE),  Annual  Report  2002, 

[61] Thorvald Andersson, “Semiconductors and Heterostructures”, textbook of Semiconductor 

[66]  Z.  Y.  Fan  and N. Newman, Materials  Science &  Engineering  B:  Solid‐State Materials  for 

[67] B.Heying, R.Averbeck, L.F. Chen and  J.S. Spect,  Journal of Applied Physics, 88(4):1855‐60, 
2000. 

[51] A.C. Beer,  “The Hall Effect  and Related Phenom

[52] B.I. Bleaney, “Electricity and Magnetism (2nd Edition)”, Oxford Unive

[53] S.O. Kasap, H

[54] M.M. Cumming, Hall Effect Measurements on GaAs and  InSb Grown by Molecular Beam 
Epitaxy, Departmen

[55] D.C. Look, Electrical Characterization of GaAs Materials and Devices, 13‐14(1989). 

[57] http://cour

[58] R.A.  Stradling  and P.C. Klipstein,  “Growth  and Characterization of  Semiconductors”,  IOP 
Publishing Ltd, 1990. 

[59]  R.  Fernan
Optoelectronics Department, University of Ulm. 

[60] http://gorgia.no‐ip.com/phd/html/thesis/phd_html/node4.html 

Material Physics, p.163‐167, 2010. 

[62] http://www.tmi.vu.lt/legacy/pfk/funkc_dariniai/technology.htm 

[63] O.Oda, T.Inque and etc., Physica Status Solidi A, 180(1):51‐8, 2000. 

[64] L. Liu, J. H. Edgar, Substrates for gallium nitride epitaxy, Materials Science and Engineering: 
R: Reports, Volume 37, Issue 3, P. 61‐127, 30 April 2002. 

[65] N.Grandjean, J.Massies and R.A. Talalaev, Applied Physics Letters, 74(13):1854‐6, 1999. 

Advanced Technology, 87(3):244‐248, 2001. 

 



 
 

45 

 

[69] F. Medjdoub, M. Zegaoui, D. Ducatteau, N. Rolland, and P.A. Rolland, “High‐Performance 

, Vol. 32, No.7, Jul. 2011. 

al  Layers  Grown  by Metal  Organic  Chemical  Vapor  Deposition”,  Journal  of  Electronic 
Materials, Vol. 27, No.4, 1998. 

iao,  R.  Anthony,  T.  James, M.  Seiji, D.  Rafael  and  S.  Zlatko,  “Progress  on  n‐type 
doping  of  AlGaN  alloys  on  AlN  single  crystal  substrates  for UV  optoelectronic  applications”, 

[72]  Y.A. Xi, K.X. Chen,  and etc.,  “Comparative  study of n‐type AlGaN  grown on  sapphire by 
er”,  Journal  of  Crystal Growth, 

[68] S.C. Jain, M.Willander, J. Narayan, and R.V.Overstraeten, Applied Physics, 87, 965, 2000. 

Low‐Leakage‐Current  AlN/GaN  HEMTs  Grown  on  Silicon  Substrate”,  IEEE  Electron  Device 
Letters

[70] C.J.  Eiting, P.A. Grudowshi,  and R.D. Dupuis,  “P‐  and N‐Type Doping of GaN  and AlGaN 
Epitaxi

[71]  S,  Jinq

Phys, Status Solidi C 8, No. 7‐8, 2031‐2033, Dol 10.1002, pssc. 201000964, 2011. 

using  a  superlattice  layer  and  a  low‐temperature AlN  interlay
299, 59‐62, 2007. 


	Abstract
	Acknowledgements
	1. Introduction
	1.1 History of semiconductors
	1.2 Application of semiconductors
	2.3 Schottky and Ohmic contact of III-V Semiconductors
	2.3.1 Principle of Schottky contact  
	2.3.2 Principle of Ohmic contact  
	2.3.3 Ohmic contact for GaN


	3. Impurities in III-V semiconductors
	3.1 Shallow impurities
	3.2 Bohr’s hydrogen atom model
	3.3 Hydrogen-like donors and acceptors

	4. The Hall Effect 
	4.1 The Hall effect principle
	4.2 The Hall Effect in semiconductors 
	4.3 The Hall Effect measurement
	4.3.1 Van der Pauw structures
	4.3.2 Measurement method and errors analysis


	5. Molecular beam epitaxy 
	5.1 General description of the MBE system
	5.2 Epitaxial growth of III-nitrides
	5.2.1 Substrate for GaN growth
	5.2.2 Growth of III-nitride layer


	6. Experiments 
	6.1 Hall Effect Setup
	6.2 Measurement Procedure
	6.2.1 Sample preparation
	6.2.2 Sample measurement


	7. Results and Discussion
	8. Summary and Future Work
	Reference