Electrons and holes confined in quantum dots define excellent building blocks for quantum emergence, simulation, and computation. Silicon and germanium are compatible with standard semiconductor manufacturing and contain stable isotopes with zero nuclear spin, thereby serving as excellent hosts for spins with long quantum coherence. Here, we demonstrate quantum dot arrays in a silicon metal-oxide-semiconductor (SiMOS), strained silicon (Si/SiGe), and strained germanium (Ge/SiGe). We fabricate using a multi-layer technique to achieve tightly confined quantum dots and compare integration processes. While SiMOS can benefit from a larger temperature budget and Ge/SiGe can make an Ohmic contact to metals, the overlapping gate structure to define the quantum dots can be based on a nearly identical integration. We realize charge sensing in each platform, for the first time in Ge/SiGe, and demonstrate fully functional linear and two-dimensional arrays where all quantum dots can be depleted to the last charge state. In Si/SiGe, we tune a quintuple quantum dot using the N + 1 method to simultaneously reach the few electron regime for each quantum dot. We compare capacitive crosstalk and find it to be the smallest in SiMOS, relevant for the tuning of quantum dot arrays. We put these results into perspective for quantum technology and identify industrial qubits, hybrid technology, automated tuning, and two-dimensional qubit arrays as four key trajectories that, when combined, enable fault-tolerant quantum computation.

1.
D.
Loss
and
D. P.
DiVincenzo
,
Phys. Rev. A
57
,
120
126
(
1998
).
2.
T.
Hensgens
,
T.
Fujita
,
L.
Janssen
,
X.
Li
,
C. J.
Van Diepen
,
C.
Reichl
,
W.
Wegscheider
,
S.
Das Sarma
, and
L. M.
Vandersypen
,
Nature
548
,
70
73
(
2017
).
3.
M.
Leijnse
and
K.
Flensberg
,
Phys. Rev. B
84
,
140501
(
2011
).
4.
J. D.
Sau
and
S.
Das Sarma
,
Nat. Commun.
3
,
964
(
2012
).
5.
J. R.
Petta
,
A. C.
Johnson
,
J. M.
Taylor
,
E. A.
Laird
,
A.
Yacoby
,
M. D.
Lukin
,
C. M.
Marcus
,
M. P.
Hanson
, and
A. C.
Gossard
,
Science
309
,
2180
2184
(
2005
).
6.
F. H.
Koppens
,
C.
Buizert
,
K. J.
Tielrooij
,
I. T.
Vink
,
K. C.
Nowack
,
T.
Meunier
,
L. P.
Kouwenhoven
, and
L. M.
Vandersypen
,
Nature
442
,
766
771
(
2006
).
7.
J. P.
Dehollain
,
U.
Mukhopadhyay
,
V. P.
Michal
,
Y.
Wang
,
B.
Wunsch
,
C.
Reichl
,
W.
Wegscheider
,
M. S.
Rudner
,
E.
Demler
, and
L. M. K.
Vandersypen
, arXiv:1904.05680 (
2019
).
8.
V.
Mourik
,
K.
Zuo
,
S. M.
Frolov
,
S. R.
Plissard
,
E. P.
Bakkers
, and
L. P.
Kouwenhoven
,
Science
336
,
1003
1007
(
2012
).
9.
L. M. K.
Vandersypen
,
H.
Bluhm
,
J. S.
Clarke
,
A. S.
Dzurak
,
R.
Ishihara
,
A.
Morello
,
D. J.
Reilly
,
L. R.
Schreiber
, and
M.
Veldhorst
,
npj Quantum Inf.
3
,
34
(
2017
).
10.
M.
Veldhorst
,
J. C.
Hwang
,
C. H.
Yang
,
A. W.
Leenstra
,
B.
De Ronde
,
J. P.
Dehollain
,
J. T.
Muhonen
,
F. E.
Hudson
,
K. M.
Itoh
,
A.
Morello
et al,
Nat. Nanotechnol.
9
,
981
985
(
2014
).
11.
F. A.
Zwanenburg
,
A. S.
Dzurak
,
A.
Morello
,
M. Y.
Simmons
,
L. C.
Hollenberg
,
G.
Klimeck
,
S.
Rogge
,
S. N.
Coppersmith
, and
M. A.
Eriksson
,
Rev. Mod. Phys.
85
,
961
1019
(
2013
).
12.
A.
Sammak
,
D.
Sabbagh
,
N. W.
Hendrickx
,
M.
Lodari
,
B.
Paquelet Wuetz
,
A.
Tosato
,
L. R.
Yeoh
,
M.
Bollani
,
M.
Virgilio
,
M. A.
Schubert
et al,
Adv. Funct. Mater.
29
,
1807613
(
2019
).
13.
D.
Sabbagh
,
N.
Thomas
,
J.
Torres
,
R.
Pillarisetty
,
P.
Amin
,
H. C.
George
,
K.
Singh
,
A.
Budrevich
,
M.
Robinson
,
D.
Merrill
et al,
Phys. Rev. Appl.
12
,
014013
(
2019
).
14.
S. J.
Angus
,
A. J.
Ferguson
,
A. S.
Dzurak
, and
R. G.
Clark
,
Nano Lett.
7
,
2051
2055
(
2007
).
15.
D. M.
Zajac
,
T. M.
Hazard
,
X.
Mi
,
K.
Wang
, and
J. R.
Petta
,
Appl. Phys. Lett.
106
,
223507
(
2015
).
16.
M.
Brauns
,
S. V.
Amitonov
,
P. C.
Spruijtenburg
, and
F. A.
Zwanenburg
,
Sci. Rep.
8
,
5690
(
2018
).
17.
H. G. J.
Eenink
,
L.
Petit
,
W. I. L.
Lawrie
,
J. S.
Clarke
,
L. M. K.
Vandersypen
, and
M.
Veldhorst
,
Nano Lett.
19
(
12
),
8653
8657
(
2019
).
18.
C. H.
Yang
,
K. W.
Chan
,
R.
Harper
,
W.
Huang
,
T.
Evans
,
J. C.
Hwang
,
B.
Hensen
,
A.
Laucht
,
T.
Tanttu
,
F. E.
Hudson
et al,
Nat. Electron.
2
,
151
158
(
2019
).
19.
J.
Yoneda
,
K.
Takeda
,
T.
Otsuka
,
T.
Nakajima
,
M. R.
Delbecq
,
G.
Allison
,
T.
Honda
,
T.
Kodera
,
S.
Oda
,
Y.
Hoshi
et al,
Nat. Nanotechnol.
13
,
102
106
(
2018
).
20.
M.
Veldhorst
,
C. H.
Yang
,
J. C.
Hwang
,
W.
Huang
,
J. P.
Dehollain
,
J. T.
Muhonen
,
S.
Simmons
,
A.
Laucht
,
F. E.
Hudson
,
K. M.
Itoh
et al,
Nature
526
,
410
414
(
2015
).
21.
D. M.
Zajac
,
A. J.
Sigillito
,
M.
Russ
,
F.
Borjans
,
J. M.
Taylor
,
G.
Burkard
, and
J. R.
Petta
,
Science
359
,
439
442
(
2018
).
22.
T. F.
Watson
,
S. G.
Philips
,
E.
Kawakami
,
D. R.
Ward
,
P.
Scarlino
,
M.
Veldhorst
,
D. E.
Savage
,
M. G.
Lagally
,
M.
Friesen
,
S. N.
Coppersmith
et al,
Nature
555
,
633
637
(
2018
).
23.
P. C.
Spruijtenburg
,
J.
Ridderbos
,
F.
Mueller
,
A. W.
Leenstra
,
M.
Brauns
,
A. A.
Aarnink
,
W. G.
Van Der Wiel
, and
F. A.
Zwanenburg
,
Appl. Phys. Lett.
102
,
192105
(
2013
).
24.
S. D.
Liles
,
R.
Li
,
C. H.
Yang
,
F. E.
Hudson
,
M.
Veldhorst
,
A. S.
Dzurak
, and
A. R.
Hamilton
,
Nat. Commun.
9
,
3255
(
2018
).
25.
R.
Maurand
,
X.
Jehl
,
D.
Kotekar-Patil
,
A.
Corna
,
H.
Bohuslavskyi
,
R.
Laviéville
,
L.
Hutin
,
S.
Barraud
,
M.
Vinet
,
M.
Sanquer
et al,
Nat. Commun.
7
,
13575
(
2016
).
26.
M.
Failla
,
J.
Keller
,
G.
Scalari
,
C.
Maissen
,
J.
Faist
,
C.
Reichl
,
W.
Wegscheider
,
O. J.
Newell
,
D. R.
Leadley
,
M.
Myronov
et al,
New J. Phys.
18
,
113036
(
2016
).
27.
Y. H.
Su
,
Y.
Chuang
,
C. Y.
Liu
,
J. Y.
Li
, and
T. M.
Lu
,
Phys. Rev. Mater.
1
,
044601
(
2017
).
28.
M.
Lodari
,
A.
Tosato
,
D.
Sabbagh
,
M. A.
Schubert
,
G.
Capellini
,
A.
Sammak
,
M.
Veldhorst
, and
G.
Scappucci
,
Phys. Rev. B
100
,
041304
(
2019
).
29.
N. W.
Hendrickx
,
D. P.
Franke
,
A.
Sammak
,
M.
Kouwenhoven
,
D.
Sabbagh
,
L.
Yeoh
,
R.
Li
,
M. L.
Tagliaferri
,
M.
Virgilio
,
G.
Capellini
et al,
Nat. Commun.
9
,
2835
(
2018
).
30.
N. W.
Hendrickx
,
D. P.
Franke
,
A.
Sammak
,
G.
Scappucci
, and
M.
Veldhorst
, arXiv:1904.11443 (
2019
).
31.
A.
Dimoulas
,
P.
Tsipas
,
A.
Sotiropoulos
, and
E. K.
Evangelou
,
Appl. Phys. Lett.
89
,
252110
(
2006
).
32.
L.
Petit
,
J. M.
Boter
,
H. G.
Eenink
,
G.
Droulers
,
M. L.
Tagliaferri
,
R.
Li
,
D. P.
Franke
,
K. J.
Singh
,
J. S.
Clarke
,
R. N.
Schouten
et al,
Phys. Rev. Lett.
121
,
076801
(
2018
).
33.
T.
Ando
,
A. B.
Fowler
, and
F.
Stern
,
Rev. Mod. Phys.
54
,
437
672
(
1982
).
34.
A.
Gold
and
V. T.
Dolgopolov
,
Phys. Rev. B
33
,
1076
1084
(
1986
).
35.
G. H.
Kruithof
,
T. M.
Klapwijk
, and
S.
Bakker
,
Phys. Rev. B
43
,
6642
6649
(
1991
).
36.
B. P.
Wuetz
,
P. L.
Bavdaz
,
L. A.
Yeoh
,
R.
Schouten
,
H.
van der Does
,
M.
Tiggelman
,
D.
Sabbagh
,
A.
Sammak
,
C. G.
Almudever
,
F.
Sebastiano
et al, arXiv:1907.11816 (
2019
).
37.
R. M.
Jock
,
N. T.
Jacobson
,
P.
Harvey-Collard
,
A. M.
Mounce
,
V.
Srinivasa
,
D. R.
Ward
,
J.
Anderson
,
R.
Manginell
,
J. R.
Wendt
,
M.
Rudolph
et al,
Nat. Commun.
9
,
1768
(
2018
).
38.
W.
Huang
,
M.
Veldhorst
,
N. M.
Zimmerman
,
A. S.
Dzurak
, and
D.
Culcer
,
Phys. Rev. B
95
,
075403
(
2017
).
39.
H.
Bracht
,
E. E.
Haller
, and
R.
Clark-Phelps
,
Phys. Rev. Lett.
81
,
393
396
(
1998
).
40.
N. W.
Hendrickx
,
M. L.
Tagliaferri
,
M.
Kouwenhoven
,
R.
Li
,
D. P.
Franke
,
A.
Sammak
,
A.
Brinkman
,
G.
Scappucci
, and
M.
Veldhorst
,
Phys. Rev. B
99
,
075435
(
2019
).
41.
E. J.
Connors
,
J.
Nelson
,
H.
Qiao
,
L. F.
Edge
, and
J. M.
Nichol
,
Phys. Rev. B
100
,
165305
(
2019
).
42.
C.
Volk
,
A. M. J.
Zwerver
,
U.
Mukhopadhyay
,
P. T.
Eendebak
,
C. J.
van Diepen
,
J. P.
Dehollain
,
T.
Hensgens
,
T.
Fujita
,
C.
Reichl
,
W.
Wegscheider
et al,
npj Quantum Inf.
5
,
29
(
2019
).
43.
H.
Watzinger
,
J.
Kukučka
,
L.
Vukušić
,
F.
Gao
,
T.
Wang
,
F.
Schäffler
,
J. J.
Zhang
, and
G.
Katsaros
,
Nat. Commun.
9
,
3902
(
2018
).
44.
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.
Vandersypen
,
Nat. Nanotechnol.
9
,
666
670
(
2014
).
45.
C. H.
Yang
,
W. H.
Lim
,
F. A.
Zwanenburg
, and
A. S.
Dzurak
,
AIP Adv.
1
,
042111
(
2011
).
46.
N. W.
Hendrickx
,
W. I. L.
Lawrie
,
L.
Petit
,
A.
Sammak
,
G.
Scappucci
, and
M.
Veldhorst
, arXiv:1912.10426 (
2019
).
47.
R.
Li
,
L.
Petit
,
D. P.
Franke
,
J. P.
Dehollain
,
J.
Helsen
,
M.
Steudtner
,
N. K.
Thomas
,
Z. R.
Yoscovits
,
K. J.
Singh
,
S.
Wehner
et al,
Sci. Adv.
4
,
eaar3960
(
2018
).
48.
T. A.
Baart
,
M.
Shafiei
,
T.
Fujita
,
C.
Reichl
,
W.
Wegscheider
, and
L. M.
Vandersypen
,
Nat. Nanotechnol.
11
,
330
334
(
2016
).
49.
V.
Mazzocchi
,
P. G.
Sennikov
,
A. D.
Bulanov
,
M. F.
Churbanov
,
B.
Bertrand
,
L.
Hutin
,
J. P.
Barnes
,
M. N.
Drozdov
,
J. M.
Hartmann
, and
M.
Sanquer
,
J. Cryst. Growth
509
,
1
7
(
2019
).
50.
L.
Petit
,
H. G. J.
Eenink
,
M.
Russ
,
W. I. L.
Lawrie
,
N. W.
Hendrickx
,
J. S.
Clarke
,
L. M. K.
Vandersypen
, and
M.
Veldhorst
, arXiv:1910.05289 (
2019
).
51.
F.
Arute
,
K.
Arya
,
R.
Babbush
,
D.
Bacon
,
J. C.
Bardin
,
R.
Barends
,
R.
Biswas
,
S.
Boixo
,
F. G. S. L.
Brandao
,
D. A.
Buell
et al,
Nature
574
,
505
(
2019
).
53.
X.
Mi
,
M.
Benito
,
S.
Putz
,
D. M.
Zajac
,
J. M.
Taylor
,
G.
Burkard
, and
J. R.
Petta
,
Nature
555
,
599
603
(
2018
).
54.
N.
Samkharadze
,
G.
Zheng
,
N.
Kalhor
,
D.
Brousse
,
A.
Sammak
,
U. C.
Mendes
,
A.
Blais
,
G.
Scappucci
, and
L. M.
Vandersypen
,
Science
359
,
1123
1127
(
2018
).
55.
A. J.
Landig
,
J. V.
Koski
,
P.
Scarlino
,
U. C.
Mendes
,
A.
Blais
,
C.
Reichl
,
W.
Wegscheider
,
A.
Wallraff
,
K.
Ensslin
, and
T.
Ihn
,
Nature
560
,
179
184
(
2018
).
56.
F.
Borjans
,
X. G.
Croot
,
X.
Mi
,
M. J.
Gullans
, and
J. R.
Petta
,
Nature
577
,
195–198
(
2020
).
57.
M.
Leijnse
and
K.
Flensberg
,
Phys. Rev. B
86
,
104511
(
2012
).
58.
S.
Das Sarma
,
M.
Freedman
, and
C.
Nayak
,
Phys. Rev. Lett.
94
,
166802
(
2005
).
59.
T.
Hyart
,
B.
Van Heck
,
I. C.
Fulga
,
M.
Burrello
,
A. R.
Akhmerov
, and
C. W.
Beenakker
,
Phys. Rev. B
88
,
035121
(
2013
).
60.
S.
Hoffman
,
C.
Schrade
,
J.
Klinovaja
, and
D.
Loss
,
Phys. Rev. B
94
,
045316
(
2016
).
61.
J.
Xiang
,
A.
Vidan
,
M.
Tinkham
,
R. M.
Westervelt
, and
C. M.
Lieber
,
Nat. Nanotechnol.
1
,
208
213
(
2006
).
62.
J.
Ridderbos
,
M.
Brauns
,
J.
Shen
,
F. K.
de Vries
,
A.
Li
,
S.
Kölling
,
M. A.
Verheijen
,
A.
Brinkman
,
W. G.
van der Wiel
et al,
Nano Lett.
20
,
122–130
(
2019
).
63.
J.
Alicea
,
Rev. Prog. Phys.
75
(
7
),
076501
(
2012
).
64.
T.
Botzem
,
M. D.
Shulman
,
S.
Foletti
,
S. P.
Harvey
,
O. E.
Dial
,
P.
Bethke
,
P.
Cerfontaine
,
R. P. G.
McNeil
,
D.
Mahalu
,
V.
Umansky
et al,
Phys. Rev. Appl.
10
,
54026
(
2018
).
65.
C. J.
Van Diepen
,
P. T.
Eendebak
,
B. T.
Buijtendorp
,
U.
Mukhopadhyay
,
T.
Fujita
,
C.
Reichl
,
W.
Wegscheider
, and
L. M.
Vandersypen
,
Appl. Phys. Lett.
113
,
033101
(
2018
).
66.
A. R.
Mills
,
M. M.
Feldman
,
C.
Monical
,
P. J.
Lewis
,
K. W.
Larson
,
A. M.
Mounce
, and
J. R.
Petta
,
Appl. Phys. Lett.
115
,
113501
(
2019
).
67.
A. R.
Mills
,
D. M.
Zajac
,
M. J.
Gullans
,
F. J.
Schupp
,
T. M.
Hazard
, and
J. R.
Petta
,
Nat. Commun.
10
,
1063
(
2019
).
68.
S. S.
Kalantre
,
J. P.
Zwolak
,
S.
Ragole
,
X.
Wu
,
N. M.
Zimmerman
,
M. D.
Stewart
, and
J. M.
Taylor
,
npj Quantum Inf.
5
,
1–6
(
2019
).
69.
D. P.
Franke
,
J. S.
Clarke
,
L. M.
Vandersypen
, and
M.
Veldhorst
,
Microprocessors Microsyst.
67
,
1
7
(
2019
).
70.
M.
Veldhorst
,
H. G.
Eenink
,
C. H.
Yang
, and
A. S.
Dzurak
,
Nat. Commun.
8
,
1766
(
2017
).
71.
C. H.
Yang
,
R. C. C.
Leon
,
J. C. C.
Hwang
,
A.
Saraiva
,
T.
Tanttu
,
W.
Huang
,
J. C.
Lemyre
,
K. W.
Chan
,
K. Y.
Tan
,
F. E.
Hudson
et al, arXiv:1902.09126 (
2019
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.