Quantum dots formed by donor-atoms in Si nanodevices can provide a breakthrough for functionality at the atomic level with one-by-one control of electrons. However, single-electron effects in donor-atom devices have only been observed at low temperatures mainly due to the low tunnel barriers. If a few donor-atoms are closely coupled as a molecule to form a quantum dot, the ground-state energy level is significantly deepened, leading to higher tunnel barriers. Here, we demonstrate that such an a-few-donor quantum dot, formed by selective conventional doping of phosphorus (P) donors in a Si nano-channel, sustains Coulomb blockade behavior even at room temperature. In this work, such a quantum dot is formed by 3 P-donors located near the center of the selectively-doped area, which is consistent with a statistical analysis. This finding demonstrates practical conditions for atomic- and molecular-level electronics based on donor-atoms in silicon nanodevices.

1.
P. M.
Koenraad
and
M. E.
Flatté
,
Nat. Mater.
10
,
91
(
2011
).
2.
D.
Moraru
,
A.
Udhiarto
,
M.
Anwar
,
R.
Nowak
,
R.
Jablonski
,
E.
Hamid
,
J. C.
Tarido
,
T.
Mizuno
, and
M.
Tabe
,
Nanoscale Res. Lett.
6
,
479
(
2011
).
3.
F.
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
).
4.
W.
Kohn
and
J. M.
Luttinger
,
Phys. Rev.
98
,
915
(
1955
).
5.
A. K.
Ramdas
and
S.
Rodriguez
,
Rep. Prog. Phys.
44
,
1297
(
1981
).
6.
H.
Sellier
,
G. P.
Lansbergen
,
J.
Caro
,
S.
Rogge
,
N.
Collaert
,
I.
Ferain
,
M.
Jurczak
, and
S.
Biesemans
,
Phys. Rev. Lett.
97
,
206805
(
2006
).
7.
G. P.
Lansbergen
,
R.
Rahman
,
C. J.
Wellard
,
I.
Woo
,
J.
Caro
,
N.
Collaert
,
S.
Biesemans
,
G.
Klimeck
,
L. C. L.
Hollenberg
, and
S.
Rogge
,
Nat. Phys.
4
,
656
(
2008
).
8.
M.
Tabe
,
D.
Moraru
,
M.
Ligowski
,
M.
Anwar
,
R.
Jablonski
,
Y.
Ono
, and
T.
Mizuno
,
Phys. Rev. Lett.
105
,
016803
(
2010
).
9.
M.
Fuechsle
,
J. A.
Miwa
,
S.
Mahapatra
,
H.
Ryu
,
S.
Lee
,
O.
Warschkow
,
L. C. L.
Hollenberg
,
G.
Klimeck
, and
M. Y.
Simmons
,
Nat. Nanotechnol.
7
,
242
(
2012
).
10.
M.
Diarra
,
Y.-M.
Niquest
,
C.
Delerue
, and
G.
Allan
,
Phys. Rev. B
75
,
045301
(
2007
).
11.
M. T.
Bjork
,
H.
Schmid
,
J.
Knoch
,
H.
Riel
, and
W.
Riess
,
Nat. Nanotechnol.
4
,
103
(
2009
).
12.
E.
Hamid
,
D.
Moraru
,
Y.
Kuzuya
,
T.
Mizuno
,
L. T.
Anh
,
H.
Mizuta
, and
M.
Tabe
,
Phys. Rev. B
87
,
085420
(
2013
).
13.
D.
Moraru
,
A.
Samanta
,
L. T.
Anh
,
T.
Mizuno
,
H.
Mizuta
, and
M.
Tabe
,
Sci. Rep.
4
,
6219
(
2014
).
14.
G. J.
Evans
,
H.
Mizuta
, and
H.
Ahmed
,
Jpn. J. Appl. Phys.
40
,
5837
(
2001
).
15.
K.
Tyszka
,
D.
Moraru
,
A.
Samanta
,
T.
Mizuno
,
R.
Jablonski
, and
M.
Tabe
,
Appl. Phys. Express
8
,
094202
(
2015
).
16.
M.
Diarra
,
C.
Delerue
,
Y.-M.
Niquet
, and
G.
Allan
,
J. Appl. Phys.
103
,
073703
(
2008
).
17.
Y.
Takahashi
,
M.
Nagase
,
H.
Namatsu
,
K.
Kurihara
,
K.
Iwadate
,
Y.
Nakajima
,
S.
Horiguchi
,
K.
Murase
, and
M.
Tabe
,
Electron Lett.
31
,
136
(
1995
).
18.
S.
Horiguchi
,
M.
Nagase
,
K.
Shiraishi
,
H.
Kageshima
,
Y.
Takahashi
, and
K.
Murase
,
Jpn. J. Appl. Phys.
40
,
L29
(
2001
).
19.
R. A.
Smith
and
H.
Ahmed
,
J. Appl. Phys.
81
,
2699
(
1997
).
20.
L.
Zhuang
,
L.
Guo
, and
S. Y.
Chou
,
Appl. Phys. Lett.
72
,
1205
(
1998
).
21.
G. N.
Golovach
,
X.
Jehl
,
M.
Houzet
,
M.
Pierre
,
B.
Roche
,
M.
Sanquer
, and
L. I.
Glazman
,
Phys. Rev. B
83
,
075401
(
2011
).
22.
M.
Hofheinz
,
X.
Jehl
,
M.
Sanquer
,
G.
Molas
,
M.
Vinet
, and
S.
Deleonibus
,
Eur. Phys. J. B
54
,
299
(
2006
).
23.
F. R.
Waugh
,
M. J.
Berry
,
D. J.
Mar
,
R. M.
Westervelt
,
K. L.
Campman
, and
A. C.
Gossard
,
Phys. Rev. Lett.
75
,
705
(
1995
).
24.
A. L.
Saraiva
,
A.
Baena
,
M. J.
Calderon
, and
B.
Koiller
,
J. Phys.: Condens. Matter
27
,
154208
(
2015
).
25.
M. F.
Gonzalez-Zalba
,
A.
Saraiva
,
M. J.
Calderon
,
D.
Heiss
,
B.
Koiller
, and
A. J.
Ferguson
,
Nano Lett.
14
,
5672
(
2014
).
26.
B.
Weber
,
Y. H. M.
Tan
,
S.
Mahapatra
,
T. F.
Watson
,
H.
Ryu
,
R.
Rahman
,
L. C. L.
Hollenberg
,
G.
Klimeck
, and
M. Y.
Simmons
,
Nat. Nanotechnol.
9
,
430
435
(
2014
).
27.
K. A.
Matveev
and
L. I.
Glazman
,
Phys. Rev. B
54
,
10339
(
1996
).
28.
H.
Tamura
,
Y.
Takahashi
, and
K.
Murase
,
Microelectron. Eng.
47
,
205
(
1999
).
29.
N. Y.
Morgan
,
D.
Abusch-Magder
,
M. A.
Kastner
,
Y.
Takahashi
,
H.
Tamura
, and
K.
Murase
,
J. Appl. Phys.
89
,
410
(
2001
).
30.
L. I.
Glazman
and
R. I.
Shekhter
,
J. Phys.: Condens. Matter
1
,
5811
(
1989
).
You do not currently have access to this content.