We report single-charge transport in ambipolar nanoscale MOSFETs, electrostatically defined in near-intrinsic silicon. We use the ambipolarity to demonstrate the confinement of either a few electrons or a few holes in exactly the same crystalline environment underneath a gate electrode. We find similar electron and hole quantum dot properties while the mobilities differ quantitatively like in microscale devices. The understanding and control of individual electrons and holes are essential for spin-based quantum information processing.

1.
D.
Loss
and
D. P.
DiVincenzo
,
Phys. Rev. A
57
,
120
(
1998
).
2.
J. M.
Elzerman
,
R.
Hanson
,
L. H.
Willems Van Beveren
,
B.
Witkamp
,
L. M. K.
Vandersypen
, and
L. P.
Kouwenhoven
,
Nature
430
,
431
(
2004
).
3.
M.
Ciorga
,
A.
Sachrajda
,
P.
Hawrylak
,
C.
Gould
,
P.
Zawadzki
,
S.
Jullian
,
Y.
Feng
, and
Z.
Wasilewski
,
Phys. Rev. B
61
,
R16315(R)
(
2000
).
4.
Y.
Hu
,
F.
Kuemmeth
,
C. M.
Lieber
, and
C. M.
Marcus
,
Nat. Nanotechnol.
7
,
47
(
2012
).
5.
N.
Ares
,
V.
Golovach
,
G.
Katsaros
,
M.
Stoffel
,
F.
Fournel
,
L. I.
Glazman
,
O. G.
Schmidt
, and
S.
De Franceschi
,
Phys. Rev. Lett.
110
,
046602
(
2013
).
6.
D.
Kim
,
Z.
Shi
,
C. B.
Simmons
,
D. R.
Ward
,
J. R.
Prance
,
T. S.
Koh
,
J. K.
Gamble
,
D. E.
Savage
,
M. G.
Lagally
,
M.
Friesen
,
S. N.
Coppersmith
, and
M. A.
Eriksson
,
Nature
511
,
70
(
2014
).
7.
C. B.
Simmons
,
M.
Thalakulam
,
N.
Shaji
,
L. J.
Klein
,
H.
Qin
,
R. H.
Blick
,
D. E.
Savage
,
M. G.
Lagally
,
S. N.
Coppersmith
, and
M. A.
Eriksson
,
Appl. Phys. Lett.
91
,
213103
(
2007
).
8.
M.
Thalakulam
,
C. B.
Simmons
,
B. M.
Rosemeyer
,
D. E.
Savage
,
M. G.
Lagally
,
M.
Friesen
,
S. N.
Coppersmith
, and
M. A.
Eriksson
,
Appl. Phys. Lett.
96
,
183104
(
2010
).
9.
S. J.
Angus
,
A. J.
Ferguson
,
A. S.
Dzurak
, and
R. G.
Clark
,
Nano Lett.
7
,
2051
(
2007
).
10.
E. P.
Nordberg
,
H. L.
Stalford
,
R.
Young
,
G. A.
Ten Eyck
,
K.
Eng
,
L. A.
Tracy
,
K. D.
Childs
,
J. R.
Wendt
,
R. K.
Grubbs
,
J.
Stevens
,
M. P.
Lilly
,
M. A.
Eriksson
, and
M. S.
Carroll
,
Appl. Phys. Lett.
95
,
202102
(
2009
).
11.
M.
Xiao
,
M. G.
House
, and
H. W.
Jiang
,
Appl. Phys. Lett.
97
,
032103
(
2010
).
12.
F. A.
Zwanenburg
,
A. S.
Dzurak
,
A.
Morello
,
M. Y.
Simmons
,
L. C. L.
Hollenberg
,
G.
Klimeck
,
S.
Rogge
,
S. N.
Coppersmith
, and
M. A.
Eriksson
,
Rev. Mod. Phys.
85
,
961
(
2013
).
13.
J. J. L.
Morton
,
D. R.
McCamey
,
M. A.
Eriksson
, and
S. A.
Lyon
,
Nature
479
,
345
(
2011
).
14.
E.
Kawakami
,
P.
Scarlino
,
D. R.
Ward
,
F. R.
Braakman
,
D. E.
Savage
,
M. G.
Lagally
,
M.
Friesen
,
S. N.
Coppersmith
,
M. A.
Eriksson
, and
L. M. K.
Vandersypen
,
Nat. Nanotechnol.
9
,
666
(
2014
).
15.
B. M.
Maune
,
M. G.
Borselli
,
B.
Huang
,
T. D.
Ladd
,
P. W.
Deelman
,
K. S.
Holabird
,
A. A.
Kiselev
,
I.
Alvarado-Rodriguez
,
R. S.
Ross
,
A. E.
Schmitz
,
M.
Sokolich
,
C. A.
Watson
,
M. F.
Gyure
, and
A. T.
Hunter
,
Nature
481
,
344
(
2012
).
16.
A. M.
Tyryshkin
,
S.
Tojo
,
J. J. L.
Morton
,
H.
Riemann
,
N. V.
Abrosimov
,
P.
Becker
,
H.-J.
Pohl
,
T.
Schenkel
,
M. L. W.
Thewalt
,
K. M.
Itoh
, and
S. A.
Lyon
,
Nat. Mater.
11
,
143
(
2012
).
17.
K. C.
Nowack
,
F. H. L.
Koppens
,
Y. V.
Nazarov
, and
L. M. K.
Vandersypen
,
Science
318
,
1430
(
2007
).
18.
S.
Nadj-Perge
,
S. M.
Frolov
,
E. P. A. M.
Bakkers
, and
L. P.
Kouwenhoven
,
Nature
468
,
1084
(
2010
).
19.
V. S.
Pribiag
,
S.
Nadj-Perge
,
S. M.
Frolov
,
J. W. G.
van den Berg
,
I.
van Weperen
,
S. R.
Plissard
,
E. P. A. M.
Bakkers
, and
L. P.
Kouwenhoven
,
Nat. Nanotechnol.
8
,
170
(
2013
).
20.
F. A.
Zwanenburg
,
C. E. W. M.
van Rijmenam
,
Y.
Fang
,
C. M.
Lieber
, and
L. P.
Kouwenhoven
,
Nano Lett.
9
,
1071
(
2009
).
21.
P. C.
Spruijtenburg
,
J.
Ridderbos
,
F.
Mueller
,
A. W.
Leenstra
,
M.
Brauns
,
A. A. I.
Aarnink
,
W. G.
van der Wiel
, and
F. A.
Zwanenburg
,
Appl. Phys. Lett.
102
,
192105
(
2013
).
22.
R.
Li
,
F. E.
Hudson
,
A. S.
Dzurak
, and
A. R.
Hamilton
,
Appl. Phys. Lett.
103
,
163508
(
2013
).
23.
J.
Güttinger
,
C.
Stampfer
,
F.
Libisch
,
T.
Frey
,
J.
Burgdörfer
,
T.
Ihn
, and
K.
Ensslin
,
Phys. Rev. Lett.
103
,
046810
(
2009
).
24.
R.
Martel
,
V.
Derycke
,
C.
Lavoie
,
J.
Appenzeller
,
K. K.
Chan
,
J.
Tersoff
, and
Ph.
Avouris
,
Phys. Rev. Lett.
87
,
256805
(
2001
).
25.
P.
Jarillo-Herrero
,
S.
Sapmaz
,
C.
Dekker
,
L. P.
Kouwenhoven
, and
H. S. J.
Van Der Zant
,
Nature
429
,
389
(
2004
).
26.
K.
Byon
,
D.
Tham
,
J. E.
Fischer
, and
A. T.
Johnson
,
Appl. Phys. Lett.
90
,
143513
(
2007
).
27.
A.
Colli
,
S.
Pisana
,
A.
Fasoli
,
J.
Robertson
, and
A. C.
Ferrari
,
Phys. Status Solidi
244
,
4161
(
2007
).
28.
J. C. H.
Chen
,
D. Q.
Wang
,
O.
Klochan
,
A. P.
Micolich
,
K.
Das Gupta
,
F.
Sfigakis
,
A. D.
Ritchie
,
D.
Reuter
,
A. D.
Wieck
, and
A. R.
Hamilton
,
Appl. Phys. Lett.
100
,
052101
(
2012
).
29.
P. W.
Li
,
D. M. T.
Kuo
,
W. M.
Liao
, and
W. T.
Lai
,
Appl. Phys. Lett.
88
,
213117
(
2006
).
30.
H.
Ishikuro
and
T.
Hiramoto
,
Appl. Phys. Lett.
74
,
1126
(
1999
).
31.
L.
Li
,
Y.
Yu
,
G. J.
Ye
,
Q.
Ge
,
X.
Ou
,
H.
Wu
,
D.
Feng
,
X. H.
Chen
, and
Y.
Zhang
,
Nat. Nanotechnol.
9
,
372
(
2014
).
32.
S.
Das
,
M.
Demarteau
, and
A.
Roelofs
,
ACS Nano
8
,
11730
(
2014
).
33.
ITRS
(
2014
), “
International technology roadmap for semiconductors
,” see http://www.itrs.net.
34.
T. H.
Nguyen
and
S. K.
O'Leary
,
J. Appl. Phys.
88
,
3479
(
2000
).
35.
R.
Hanson
,
L. P.
Kouwenhoven
,
J. R.
Petta
,
S.
Tarucha
, and
L. M. K.
Vandersypen
,
Rev. Mod. Phys.
79
,
1217
(
2007
).
36.
C. W. J.
Beenakker
,
Phys. Rev. B
44
,
1646
(
1991
).
37.
M.
Möttönen
,
K. Y.
Tan
,
K. W.
Chan
,
F. A.
Zwanenburg
,
W. H.
Lim
,
C. C.
Escott
,
J.-M.
Pirkkalainen
,
A.
Morello
,
C.
Yang
,
J. A.
Van Donkelaar
,
A. D. C.
Alves
,
D. N.
Jamieson
,
L. C. L.
Hollenberg
, and
A. S.
Dzurak
,
Phys. Rev. B
81
,
161304(R)
(
2010
).
38.
C. H.
Yang
,
A.
Rossi
,
N. S.
Lai
,
R.
Leon
,
W. H.
Lim
, and
A. S.
Dzurak
,
Appl. Phys. Lett.
105
,
183505
(
2014
).
39.
M.
Veldhorst
,
C. H.
Yang
,
J. C. C.
Hwang
,
W.
Huang
,
J. P.
Dehollain
,
J. T.
Muhonen
,
S.
Simmons
,
A.
Laucht
,
F. E.
Hudson
,
K. M.
Itoh
,
A.
Morello
, and
A. S.
Dzurak
, e-print arXiv:1411.5760v1.
40.
C. C.
Escott
,
F. A.
Zwanenburg
, and
A.
Morello
,
Nanotechnology
21
,
274018
(
2010
).
41.
W. H.
Lim
,
C. H.
Yang
,
F. A.
Zwanenburg
, and
A. S.
Dzurak
,
Nanotechnology
22
,
335704
(
2011
).
42.
M.
Field
,
C. G.
Smith
,
M.
Pepper
,
D. A.
Ritchie
,
J. E. F.
Frost
,
G. A. C.
Jones
, and
D. G.
Hasko
,
Phys. Rev. Lett.
70
,
1311
(
1993
).
43.
T. M.
Buehler
,
D. J.
Reilly
,
R. P.
Starrett
,
A. D.
Greentree
,
A. R.
Hamilton
,
A. S.
Dzurak
, and
R. G.
Clark
,
Appl. Phys. Lett.
86
,
143117
(
2005
).
44.
A. C.
Betz
,
M. F.
Gonzalez-Zalba
,
G.
Podd
, and
A. J.
Ferguson
,
Appl. Phys. Lett.
105
,
153113
(
2014
).
You do not currently have access to this content.