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随着信息社会对半导体集成电路集成度的要求不断提高，人们一方面不断减小晶体管的尺寸以提高集成度。另一方面，人们试图寻找新的器件结构来突破尺寸极限。纳米电子学在此背景下应运而生，并逐渐成为半导体科学研究的热点和前沿。而单电子存储器和共振隧穿器件是当前纳米电子学中最有望实现应用的器件。目前先进的薄膜制备技术和微加工技术为人们设计和制造纳米电子器件提供了条件，这大大推动了纳米电子器件理论和实验方面的研究工作。
本文旨在研究镶嵌于可控氮化硅势垒层中的nc—Si量子点由于库仑阻塞和量子限制效应产生的共振隧穿和电荷存储特性，探索其器件应用。为此我们采用等离子化学增强气相沉积技术，制备出a—SiNx/nc—Si/a—SiNx不对称双势垒结构和富氮a—SiNx/富硅a—SiNy多层结构。利用电容—电压(C—V)测量研究了a—SiNx/nc—Si/a—SiNx不对称双势垒结构中由共振隧穿引起的电容峰和电导峰现象，以及这种结构中的电荷存储现象，表明了这种结构可以用于纳米存储器的机理研究。利用电流—电压(Ⅰ—Ⅴ)测量研究了镶嵌有nc—Si量子点的富氮a—SiNx/富硅a—SiNy多层结构中的由于共振隧穿引起的电流峰和负阻现象，表明了这种结构可以用来研制共振隧穿器件。本论文的主要内容和创新点如下：
(一)在PECVD系统中利用layer by layer生长技术原位制备nc—Si量子点阵列a—SiNx/nc—Si/a—SiNx不对称双势垒结构。其中隧穿氮化硅层和控制氮化硅层分别为3 nm和20 nm，nc—Si晶粒的大小约为5 nm。通过拉曼散射光谱和原子力显微镜等手段对样品进行结构表征。
(二)利用变频C—V和G—V测量研究a—SiN_x/nc—Si/a—SiNx不对称双势垒结构中的共振隧穿和电荷存储现象。在室温下观测到电子共振隧穿进入nc—Si量子点形成的电容峰和电导峰现象。用等效电路和能带图解释了电容峰和电导峰形成的机制。通过计算电容峰下的面积，证实了电容峰是电极下的每个nc—Si量子点中平均注入一个电子引起的。
同时，在高频C—V曲线中观测到明显的电容回滞现象，证实了a—SiNx/nc—Si/a—SiNx不对称双势垒结构中的电荷存储效应。说明电子共振隧穿进入量子点后被存储在nc—Si量子点中。
(三)在PECVD系统中采用逐层淀积的方法制备富氮a—SiNx/富硅a—SiNy多层结构。其中富氮层和富硅层的厚度分别为3 nm和4nm，共制备了分别含有3，5和7个周期的三种样品。剖面透射电子显微镜照片直观的显示了样品具有清晰的层状结构和平滑的界面。拉曼光谱测量结果表明样品在经过高温退火后在结构中形成了nc—Si量子点。
利用Ⅰ—Ⅴ测量研究了这种结构中的隧穿现象，在室温下观测到了明显的电流峰和负阻现象。在排除了充电效应，F-N隧穿，直接隧穿等机制后，我们认为电流峰是来源于载流子的共振隧穿效应，并且用相继隧穿模型解释了多周期样品结构中隧穿过程是共振隧穿/弛豫不断交替进行的过程。研究了不同周期数和不同掺杂浓度衬底对电流峰的影响。在5周期样品中观测到明显的电流峰和负阻现象，电流峰的峰谷比达到33。在高掺杂浓度衬底的样品中，电流峰位置向低电压方向移动，因为高掺杂浓度的衬底可以减小结构的串联电阻，使得降落在衬底上的电压值降低。