Poços e super-redes delta-doping tipo são sistemas semicondutores de interesse considerável tanto para a pesquisa básica como para aplicações em dispositivos. Neste trabalho desenvolvemos um novo método para o cálculo de potenciais e estruturas de bandas deste tipo de sistemas. O método baseia-se na expansão em ondas planas da equação da massa efetiva multibandas, usa matrizes de energia cinética de qualquer tamanho e leva em conta o potencial de troca e correlação de uma maneira mais rigorosa do que em trabalhos anteriores. São calculados perfis de potencial e estrutura de minibandas e subbandas bem como a posição do nível de Fermi de uma série de poços isolados e super-redes delta-doping tipo p. São estudadas também as diferenças entre super-redes delta-doping tipo p e tipo n. A partir deste método foi desenvolvido ainda um procedimento de cálculo de espectros de fotoluminescência dos poços estudados. Este procedimento baseia-se nas forças de oscilador das transições entre os buracos confinados no interior do poço e os elétrons livres da banda de condução. Ele é utilizado para calcular funções envelope, integrais de superposição e espectros de transições diretas e indiretas. Por fim, comparamos espectros calculados teoricamente com resultados experimentais extraídos da literatura. / p-type ro-doping quantum wells and superlattices are semiconductor systems of considerable interest for basic research and device applications. In this work, a method for calculating potentials and band structures of such systems is developed. The method relies on a plane wave expansion of the multiband effective mass equation, uses kinetic energy matrices of any size, and takes exchange correlation into account in a more rigorous way than this was done before. The method is used to calculate potential profiles, subband and miniband structures as well as Fermi level positions for a series of p-type delta-doping quantum wells and superlattices. The differences between n- and p-type delta-doping structures are studied. In addition to this we developed a procedure within this method to ca1culate photoluminescence (PL) spectra of the wells studied. It depends on the oscillator strength between the holes inside the wells and the free electrons on the conduction band. We use this procedure to calculate envelope functions, overlap integrals and direct and indirect transitions spectra. Finally, we compare our theoretical calculations of PL spectra with experimental results extracted from the literature.

[pt] Nesta tese estudamos estruturas de poucos quânticos múltiplos (MQW) com dopagens delta de Si dentro dos poços quânticos de GaAs e de C nas barreiras de AlGaAs (nipi). Esta estrutura foi proposta anteriormente por W. Batty e D. W. E. Allsopp como uma alternativa para maximizar o deslocamento Stark e melhorar o desempenho de moduladores de amplitude por eletroabsorção.As amostras foram crescidas pela técnica de MOCVD, utilizando respectivamente como fontes de Si e C, a silana (SiH4)e o tetrabrometo decarbono(CBr4). Em particular,a dopagem de C em AlGaAs foi cuidadosamente estudada uma vez que seu controle é mais difícil de ser obtido. Apesar de pouca flexibilidade nas condições de crescimento, em particular na razão entre os fluxos dos elementos V e III, foi possível controlar o nível de dopagem de C nas camadas de AlGaAs. As estruturas nipi foram estudadas em detalhe para avaliar seu potencial na aplicação em moduladores ópticos. Observamos que o balanço necessário entre os níveis de dopagem n e p não é trivial de ser alcançado devido µ a presença de armadilhas de buracos nas interfaces AlGaAs=GaAs cuja população depende da concentração da dopagem no pouco de GaAs.Medidas de fotoluminescência (PL), reforçadas por cálculos teóricos, mostraram que uma transição espacialmente indireta envolvendo elétrons no pouco quântico de GaAs e buracos na barreira de AlGaAs ocorre, para baixas temperaturas, em energias abaixo do gap do pouco quântico. A temperatura ambiente esta transição não foi observada e a emissão óptica medida ocorre essencialmente na mesma energia observada em uma estrutura equivalente porém, sem dopagem delta. Estes resultados levaram a conclusão de que problemas de perdas por inserção no modulador, decorrentes de absorção por níveis no gap,não ocorrerão uma vez que, a temperatura ambiente, não existem níveis de energia abaixo da transição ao fundamental do pouco quântico. / [en] In this thesis we have studied multiple quantum well structures with Si delta doping inside the GaAs quantum wells and C delta doping in the AlGaAs barriers (nipi). This structure was proposed by W. Batty and D. W. E. Allsopp as an alternativeto maximize the Stark shift and improve the performance of electroabsorption amplitude modulators.The samples were grown by the MOCVD technique, using respectively as Si and C sources, silane (SiH4) and carbon tetrabromide (CBr4). Particularly, the C doping of AlGaAs was carefully studied because of the difficulties in controlling the C incorporation.Despite the little flexibility in the growth conditions, in particular in the V to III fluxes ratio, it was possible to control the C doping level in the AlGaAs layers.The nipi structures were studied in detail to evaluate their potential for use in the fabrication of optical modulators. It has been observed that the required balance between n and p type doping levels is not trivial to be achieved due to the presence of interface hole traps whose population depends on the GaAs quantum well doping concentration.Photoluminescence measurements, supported by calculations, point out that an spatially indirect transition which involves electrons in the GaAs quantum well and holes in the AlGaAs barrier occurs, at low temperatures, at energies below the gap of the quantum well. At room temperature this transition has not been observed and the measured optical emission occurs at essentially the same energy as that of an equivalent undoped structure. These results led to the conclusion that insertion losses problems will not occur due to absorption below the gap since, at room temperature, there are no energy levels below the quantum well fundamental transition energy.

Poços e super-redes delta-doping tipo são sistemas semicondutores de interesse considerável tanto para a pesquisa básica como para aplicações em dispositivos. Neste trabalho desenvolvemos um novo método para o cálculo de potenciais e estruturas de bandas deste tipo de sistemas. O método baseia-se na expansão em ondas planas da equação da massa efetiva multibandas, usa matrizes de energia cinética de qualquer tamanho e leva em conta o potencial de troca e correlação de uma maneira mais rigorosa do que em trabalhos anteriores. São calculados perfis de potencial e estrutura de minibandas e subbandas bem como a posição do nível de Fermi de uma série de poços isolados e super-redes delta-doping tipo p. São estudadas também as diferenças entre super-redes delta-doping tipo p e tipo n. A partir deste método foi desenvolvido ainda um procedimento de cálculo de espectros de fotoluminescência dos poços estudados. Este procedimento baseia-se nas forças de oscilador das transições entre os buracos confinados no interior do poço e os elétrons livres da banda de condução. Ele é utilizado para calcular funções envelope, integrais de superposição e espectros de transições diretas e indiretas. Por fim, comparamos espectros calculados teoricamente com resultados experimentais extraídos da literatura. / p-type ro-doping quantum wells and superlattices are semiconductor systems of considerable interest for basic research and device applications. In this work, a method for calculating potentials and band structures of such systems is developed. The method relies on a plane wave expansion of the multiband effective mass equation, uses kinetic energy matrices of any size, and takes exchange correlation into account in a more rigorous way than this was done before. The method is used to calculate potential profiles, subband and miniband structures as well as Fermi level positions for a series of p-type delta-doping quantum wells and superlattices. The differences between n- and p-type delta-doping structures are studied. In addition to this we developed a procedure within this method to ca1culate photoluminescence (PL) spectra of the wells studied. It depends on the oscillator strength between the holes inside the wells and the free electrons on the conduction band. We use this procedure to calculate envelope functions, overlap integrals and direct and indirect transitions spectra. Finally, we compare our theoretical calculations of PL spectra with experimental results extracted from the literature.

Dans ce projet de thèse, qui s'appuie sur l'optimisation d'un réacteur de croissance du diamant et la construction d'un prototype, nous avons démontré l'épitaxie par étapes de couches de diamant, orientées (100), lourdement dopées au bore sur des couches de dopage plus faible dans le même processus, sans arrêter le plasma. Plus original, nous avons démontré la situation inverse. Nous présentons aussi des croissances assez lentes pour l'épitaxie de films d'épaisseur nanométriques avec de grands sauts de dopage, appelé delta-dopage. L'accent a été porté sur le gain en raideur des interfaces. Nous démontrons la présence d'interfaces fortement abruptes, issues de gravures in-situ optimisées, par une analyse conjointe en spectrométrie de masse à ionisation secondaire et en microscopie électronique en transmission à balayage en champ sombre annulaire aux grands angles. Des super-réseaux de dopages abrupts montrent des pics satellites de diffraction X typiques de la super-période. / The aim of this PhD thesis was to better understand the boron delta-doping of diamond over building a new Microwave Plasma Chemical Vapour Deposition reactor prototype. We succeed to grow step by step heavy on low, and more original, low on heavy boron-doped layers of (100)-oriented diamond in the same process and without stopping the plasma. We also settled growth parameters for a growth rate slow enough to get nanometre-thick homoepitaxial films with boron doping jumps over several orders of magnitude, called delta-doping. We demonstrated the presence of super-sharp interfaces, after optimized in situ etching, by joint Secondary Ion Mass Spectrometry and Scanning Tunneling Electron Microscopy at High-Angle Annular Dark Field analysis. Finally superlattices with abrupt boron doping levels have been grown; they show satellite peaks of X-ray diffraction representative of a super-period.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / Um estudo da interação entre desordem e polarização de spin no GaMnAs ajuda a compreender a natureza dos estados, estendidos ou localizados, bem como as consequências para as transições observadas sobre as propriedades de transporte e às mudanças na ordem magnética de momentos magnéticos localizados em sítios de Mn. Este estudo pressupõe a ocorrência de uma banda impureza com baixas concentrações de Mn, que merge na banda valência no caso de concentrações mais elevadas. A abordagem teórica, baseada em um formalismo de espalhamento múltiplo auto-consistente, através do cálculo da função de Green para buracos determina-se a função densidade espectral no nível de Fermi. A escolha de uma figura de mérito, com base na largura e sobre a posição do máximo da função densidade espectral no espaço recíproco, leva a um diagrama de fase que determina o caráter metálicos ou não metálicos da amostra. Também é possível identificar a mobility edge, e como consequência, a densidade efetiva de portadores livre. Uma amostra é definida pelo par de parâmetros independentes, a concentração de Mn e a densidade buraco. As melhores amostras, aquelas com os maiores valores de mérito, tem uma relação entre a densidade de buracos estendidos e a concentração de Mn aproximadamente de 0.3, muito próximo do raio de 10-25% observada entre as amostras reais produzidos com a mais alta temperatura de transição. Além disso, a relação entre essas concentrações de Mn correspondente as transições metal-não-metal e não-metal-metal que é de aproximadamente 2.4, muito próximo do valor 2.1 da amostras reais. Uma interpretação da ocorrência de ferromagnetismo com alta temperatura de transição em GaMnAs é dada como uma consequência da interação entre o mecanismo de interação assistido por estados localizados e interações indiretas assistida pelo estdos buraco estendidos. Portadores mediando magnetismo em semicondutores mostram diferenças importantes e potencialmente úteis a diferenças de magnetismo em metais tais como o luz- ou voltagem elétrica -controlando ferromagnetismo. Motivado por experiências reportadas em poços quânticos de GaAs com uma dopagem delta de Mn com altas temperaturas Currier (temperatura de transição) mais elevadas do que em bulk de (Ga, Mn)As, nós exploramos teoricamente a viabilidade do campo elétrico controlar ferromagnetismo em poços quânticos. Nós calculamos auto-consistentemente a interação de troca indireta em Mn-Mn íons e aplicamos a simulação Monte Carlo para encontrar transição temperatura Tc. A nossa abordagem permite-nos estudar sistematicamente os efeitos de confinamento quântico e da posição da camada magnética de Mn e Tc, que vai além da aproximação do campo médio. Nós comparamos nossos resultados com os resultados experimentais e sugerimos caminho para o melhor controle do ferromagnetismo. / A study of the interplay between disorder and spin polarization in the diluted magnetic semiconductor GaMnAs helps to understand the character of states, extended or localized. This study assumes the occurrence of an impurity band which merges into the valence band at higher concentrations. The theoretical approach, based on a self-consistent multiple scattering formalism, determines the spectral density function at the Fermi level from the calculation of the hole's Green's functions. A choice of a figure of merit, based on the width and on the position of the maximum of the spectral density function in the reciprocal space, leads to a phase diagram determining the metallic or non-metallic character of the sample. It is also possible to identify mobility edges and, in consequence, the density of effectively free carriers. A model sample is defined by the pair of independent parameters, Mn concentration and hole density. The best samples, those with the highest figures of merit, have a ratio between the extended hole density and the Mn concentration near 0.3, very close to ratio of 10-30% observed among the real samples produced with the highest transition temperatures. Also, the ratio between those Mn concentrations corresponding to the metal-to-non-metal and non-metal-to-metal transitions is approximately 2.4, very close to the value 2.1 inferred from the real samples. An interpretation of the occurrence of high transition temperature ferromagnetism in GaM-nAs is given as a consequence of the interplay between interaction mechanism assisted by localized states and indirect interactions assisted by extended hole states. Carrier mediated magnetism in semiconductors show important and potentially useful differences from magnetism in metals,such as light- or bias-controlled ferromagnetism. Motivated by experiments reporting higher Currier temperatures in GaAs quantum wells with Mn-delta doping than the ones observed in bulk (Ga,Mn)As, we explore theoretically the feasibility of bias-controlled ferromagnetism these systems. We calculate self-consistently indirect Mn-Mn exchange interaction, and apply Monte Carlo approach to find transition temperature Tc. Our approach allows us to systematically study the eects of quantum confinement and the position of Mn layer on magnetic ordering and Tc, beyond mean field approximation. We compare our findings with the experimental results and suggest paths toward improving the control of ferromagnetism.

Alors que la demande en électronique haute puissance et haute fréquence ne fait qu’augmenter, les semi-conducteurs classiques montrent leurs limites. Des approches basées soit sur des nouvelles architectures ou sur des matériaux à large bande interdite devraient permettre de les dépasser. Le diamant, avec ses propriétés exceptionnelles, semble être le semi-conducteur ultime pour répondre à ces attentes. Néanmoins, il souffre aussi de certaines limitations, en particulier d’une forte énergie d’ionisation du dopant de type p (bore) qui se traduit par une faible concentration de porteurs libres à la température ambiante. Des solutions innovantes s'appuyant sur un gaz 2D et /ou l’effet de champ ont été imaginées pour résoudre ce problème. Ce travail est axé sur deux de ces solutions : i) le diamant delta dopé au bore qui consiste en une couche fortement dopée entre deux couches intrinsèques, afin d’obtenir une conduction combinant une grande mobilité avec une grande concentration de porteurs et ii) le transistor à effet de champ métal oxide semiconducteur( MOSFET ), où l’état « on » et l’état « off » du canal sont obtenus grâce au contrôle électrostatique de la courbure de bandes à l' interface de diamant/oxyde. Pour ces deux structures, beaucoup de défis technologiques doivent être surmontés avant de pouvoir fabriquer un transistor. La dépendance en température de la densité surfacique de trous et de la mobilité de plusieurs couche de diamant delta dopées au bore a été étudiée expérimentalement et théoriquement sur une large gamme de température (6 K <T < 500 K). Deux types de conduction ont été détectés: métallique et non métallique. Une mobilité constante comprise entre 2 et 4 cm2/Vs a été mesurée pour toutes les couches delta métalliques quelle que soient leurs épaisseurs ou le substrat utilisé pour la croissance. Cette valeur particulière est discutée en comparaison à d'autres valeurs expérimentales reportées dans la littérature et aussi de calculs théoriques. Une conduction parallèle à travers les régions faiblement dopées qui encapsule la couche delta, a également été mise en évidence dans certains échantillons. Une très faible mobilité a été mesurée pour les couches delta non métalliques et a été attribuée à un mécanisme de conduction par saut. Des structures métal oxyde semi-conducteur utilisant de l'oxyde d'aluminium comme isolant et du diamant monocristallin (100) de type p en tant que semi-conducteur ont été fabriquées et étudiées par des mesures capacité tension C(V) et courant tension I(V). L'oxyde d'aluminium a été déposé en utilisant un dépôt par couche atomique (Atomic Layer Deposition : ALD) à basse température sur une surface oxygénée de diamant. Les mesures C(V) démontrent que les régimes d'accumulation , de déplétion et de déplétion profonde peuvent être contrôlés grâce à la tension de polarisation appliquée sur la grille. Un diagramme de bande est proposée et discutée pour expliquer le courant de fuite étonnamment élevé circulant en régime d’accumulation. Aucune amélioration significative de la mobilité n’a été observée dans les structures delta, même pour les plus fines d’entre elles (2 nm). Cependant, la démonstration du contrôle de l’état du canal de la structure MOS ouvre la voie pour la fabrication d’un MOSFET en diamant, même si un certain nombre de verrous technologiques subsistent. / As the demand in high power and high frequency electronics is still growing, standard semiconductors show their limits. Approaches based either on new archi- tectures or wide band gap materials should allow to overcome these limits. Diamond, with its outstanding properties, seems to be the ultimate semiconductor. Neverthe- less, it also suffers from limitations, especially the high ionization energy of the boron p-type dopant that results in a low carrier concentration at room temperature. In- novative solutions relying on 2D gas or/and field effect ionization has been imagined to overcome this problem. This work is focused on two of these solutions: i) boron delta-doping consisting in highly doped layer between two intrinsic layers, resulting in a conduction combining a high mobility with a large carrier concentration and ii) metal-oxide-semiconductor field effect transistor (MOSFET) where the conducting or insulating behavior of the channel is based on the electrostatic control of the band curvature at the oxide/semiconducting diamond interface. For both structures, a lot of technological challenges need to be surmounted before fabricating the related transistor. On one hand, the temperature dependence of the hole sheet density and mobility of several nano-metric scaled delta boron doped has been investigated experimentally and theoretically over a large temperature range (6 K <T< 500 K). Two types of conduction behaviors were detected : metallic and non metallic. A constant mobility between 2 and 4 cm2/V.s was found for all the metallic degenerated delta layers whatever its thickness or the substrate used for the growth. This particular value is discussed in comparison of other experimental values reported in literature and theoretical calculations. A parallel conduction through the low doped regions, in which the delta is embedded, has also been brought to light in certain cases. A very low mobility was measured for non metallic conduction delta layers and has been attributed to an hopping conduction mechanism which is discussed. On the other hand, metal-oxide-semiconductor structures with aluminum oxide as insulator and p−type (100) mono-crystalline diamond as semiconductor have been fabricated and investigated by capacitance versus voltage C(V) and current versus voltage I(V) measurements. The aluminum oxide dielectric was deposited using low temperature atomic layer deposition on an oxygenated diamond surface. The C(V) measurements demonstrate that accumulation, depletion and deep depletion regimes can be controlled by the bias voltage. A band diagram is proposed and discussed to explain the surprisingly high leakage current flowing in accumulation regimes. To sum up, no significant improvement of mobility has been observed in delta structures even for the thinnest one (2 nm). However, the MOS channel control demonstration opens the route for diamond MOSFET even if technological chal- lenges remain.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / Um estudo da interação entre desordem e polarização de spin no GaMnAs ajuda a compreender a natureza dos estados, estendidos ou localizados, bem como as consequências para as transições observadas sobre as propriedades de transporte e às mudanças na ordem magnética de momentos magnéticos localizados em sítios de Mn. Este estudo pressupõe a ocorrência de uma banda impureza com baixas concentrações de Mn, que merge na banda valência no caso de concentrações mais elevadas. A abordagem teórica, baseada em um formalismo de espalhamento múltiplo auto-consistente, através do cálculo da função de Green para buracos determina-se a função densidade espectral no nível de Fermi. A escolha de uma figura de mérito, com base na largura e sobre a posição do máximo da função densidade espectral no espaço recíproco, leva a um diagrama de fase que determina o caráter metálicos ou não metálicos da amostra. Também é possível identificar a mobility edge, e como consequência, a densidade efetiva de portadores livre. Uma amostra é definida pelo par de parâmetros independentes, a concentração de Mn e a densidade buraco. As melhores amostras, aquelas com os maiores valores de mérito, tem uma relação entre a densidade de buracos estendidos e a concentração de Mn aproximadamente de 0.3, muito próximo do raio de 10-25% observada entre as amostras reais produzidos com a mais alta temperatura de transição. Além disso, a relação entre essas concentrações de Mn correspondente as transições metal-não-metal e não-metal-metal que é de aproximadamente 2.4, muito próximo do valor 2.1 da amostras reais. Uma interpretação da ocorrência de ferromagnetismo com alta temperatura de transição em GaMnAs é dada como uma consequência da interação entre o mecanismo de interação assistido por estados localizados e interações indiretas assistida pelo estdos buraco estendidos. Portadores mediando magnetismo em semicondutores mostram diferenças importantes e potencialmente úteis a diferenças de magnetismo em metais tais como o luz- ou voltagem elétrica -controlando ferromagnetismo. Motivado por experiências reportadas em poços quânticos de GaAs com uma dopagem delta de Mn com altas temperaturas Currier (temperatura de transição) mais elevadas do que em bulk de (Ga, Mn)As, nós exploramos teoricamente a viabilidade do campo elétrico controlar ferromagnetismo em poços quânticos. Nós calculamos auto-consistentemente a interação de troca indireta em Mn-Mn íons e aplicamos a simulação Monte Carlo para encontrar transição temperatura Tc. A nossa abordagem permite-nos estudar sistematicamente os efeitos de confinamento quântico e da posição da camada magnética de Mn e Tc, que vai além da aproximação do campo médio. Nós comparamos nossos resultados com os resultados experimentais e sugerimos caminho para o melhor controle do ferromagnetismo. / A study of the interplay between disorder and spin polarization in the diluted magnetic semiconductor GaMnAs helps to understand the character of states, extended or localized. This study assumes the occurrence of an impurity band which merges into the valence band at higher concentrations. The theoretical approach, based on a self-consistent multiple scattering formalism, determines the spectral density function at the Fermi level from the calculation of the hole's Green's functions. A choice of a figure of merit, based on the width and on the position of the maximum of the spectral density function in the reciprocal space, leads to a phase diagram determining the metallic or non-metallic character of the sample. It is also possible to identify mobility edges and, in consequence, the density of effectively free carriers. A model sample is defined by the pair of independent parameters, Mn concentration and hole density. The best samples, those with the highest figures of merit, have a ratio between the extended hole density and the Mn concentration near 0.3, very close to ratio of 10-30% observed among the real samples produced with the highest transition temperatures. Also, the ratio between those Mn concentrations corresponding to the metal-to-non-metal and non-metal-to-metal transitions is approximately 2.4, very close to the value 2.1 inferred from the real samples. An interpretation of the occurrence of high transition temperature ferromagnetism in GaM-nAs is given as a consequence of the interplay between interaction mechanism assisted by localized states and indirect interactions assisted by extended hole states. Carrier mediated magnetism in semiconductors show important and potentially useful differences from magnetism in metals,such as light- or bias-controlled ferromagnetism. Motivated by experiments reporting higher Currier temperatures in GaAs quantum wells with Mn-delta doping than the ones observed in bulk (Ga,Mn)As, we explore theoretically the feasibility of bias-controlled ferromagnetism these systems. We calculate self-consistently indirect Mn-Mn exchange interaction, and apply Monte Carlo approach to find transition temperature Tc. Our approach allows us to systematically study the eects of quantum confinement and the position of Mn layer on magnetic ordering and Tc, beyond mean field approximation. We compare our findings with the experimental results and suggest paths toward improving the control of ferromagnetism.

We present the development of a novel, UHV-compatible device fabrication strategy for the realisation of nano- and atomic-scale devices in silicon by harnessing the atomic-resolution capability of a scanning tunnelling microscope (STM). We develop etched registration markers in the silicon substrate in combination with a custom-designed STM/ molecular beam epitaxy system (MBE) to solve one of the key problems in STM device fabrication ??? connecting devices, fabricated in UHV, to the outside world. Using hydrogen-based STM lithography in combination with phosphine, as a dopant source, and silicon MBE, we then go on to fabricate several planar Si:P devices on one chip, including control devices that demonstrate the efficiency of each stage of the fabrication process. We demonstrate that we can perform four terminal magnetoconductance measurements at cryogenic temperatures after ex-situ alignment of metal contacts to the buried device. Using this process, we demonstrate the lateral confinement of P dopants in a delta-doped plane to a line of width 90nm; and observe the cross-over from 2D to 1D magnetotransport. These measurements enable us to extract the wire width which is in excellent agreement with STM images of the patterned wire. We then create STM-patterned Si:P wires with widths from 90nm to 8nm that show ohmic conduction and low resistivities of 1 to 20 micro Ohm-cm respectively ??? some of the highest conductivity wires reported in silicon. We study the dominant scattering mechanisms in the wires and find that temperature-dependent magnetoconductance can be described by a combination of both 1D weak localisation and 1D electron-electron interaction theories with a potential crossover to strong localisation at lower temperatures. We present results from STM-patterned tunnel junctions with gap sizes of 50nm and 17nm exhibiting clean, non-linear characteristics. We also present preliminary conductance results from a 70nm long and 90nm wide dot between source-drain leads which show evidence of Coulomb blockade behaviour. The thesis demonstrates the viability of using STM lithography to make devices in silicon down to atomic-scale dimensions. In particular, we show the enormous potential of this technology to directly correlate images of the doped regions with ex-situ electrical device characteristics.

We present the development of a novel, UHV-compatible device fabrication strategy for the realisation of nano- and atomic-scale devices in silicon by harnessing the atomic-resolution capability of a scanning tunnelling microscope (STM). We develop etched registration markers in the silicon substrate in combination with a custom-designed STM/ molecular beam epitaxy system (MBE) to solve one of the key problems in STM device fabrication ??? connecting devices, fabricated in UHV, to the outside world. Using hydrogen-based STM lithography in combination with phosphine, as a dopant source, and silicon MBE, we then go on to fabricate several planar Si:P devices on one chip, including control devices that demonstrate the efficiency of each stage of the fabrication process. We demonstrate that we can perform four terminal magnetoconductance measurements at cryogenic temperatures after ex-situ alignment of metal contacts to the buried device. Using this process, we demonstrate the lateral confinement of P dopants in a delta-doped plane to a line of width 90nm; and observe the cross-over from 2D to 1D magnetotransport. These measurements enable us to extract the wire width which is in excellent agreement with STM images of the patterned wire. We then create STM-patterned Si:P wires with widths from 90nm to 8nm that show ohmic conduction and low resistivities of 1 to 20 micro Ohm-cm respectively ??? some of the highest conductivity wires reported in silicon. We study the dominant scattering mechanisms in the wires and find that temperature-dependent magnetoconductance can be described by a combination of both 1D weak localisation and 1D electron-electron interaction theories with a potential crossover to strong localisation at lower temperatures. We present results from STM-patterned tunnel junctions with gap sizes of 50nm and 17nm exhibiting clean, non-linear characteristics. We also present preliminary conductance results from a 70nm long and 90nm wide dot between source-drain leads which show evidence of Coulomb blockade behaviour. The thesis demonstrates the viability of using STM lithography to make devices in silicon down to atomic-scale dimensions. In particular, we show the enormous potential of this technology to directly correlate images of the doped regions with ex-situ electrical device characteristics.