硅(Si)基量子结构由于其电荷量子化和能量量子化的特性，有望成为新一代纳电子器件的结构基础。本文围绕Si量子结构在纳电子器件中的应用为目标，研究自组装Si量子点、量子环结构的制备方法和生长机理，进而研究该类结构中的量子电子输运特性。全文包括以下四个方面的研究内容和创新成果： (1)利用在等离子体增强化学气相淀积(PECVD)系统中的大氢稀释逐层(layer—by—layer，LBL)生长技术，我们获得了高密度、均匀和尺寸在6nm左右的单层Si量子点阵列结构，并通过室温下电容电压谱(C—V)和电流电压谱(Ⅳ)探测其中由于量子限制而导致的分立能级谱及库仑阻塞效应。我们首次在实验上观测到了弱耦合Si量子点阵列中的集体单电子效应，证实了由量子点之间相互耦合而形成的子能带结构。另一方面，我们还探讨了单层自组装Si量子点阵列中由于量子点库仑阻塞而引起的微分负阻效应(NDR)，并研究了其与常规量子阱中NDR效应的不同形成机制。 (2)在PECVD系统中利用H2等离子体对气相淀积Si结构的刻蚀作用，并基于生长一刻蚀竞争的生长模型，首次在Si衬底上制备出具有十分理想形貌特征，完美的旋转对称性和超薄壁宽(＜10nm)的自组装Si纳米环结构。Si纳米环的制备工艺完全与现代微电子Si工艺相兼容。从气相生长动力学原理出发，着重研究在Si衬底上获得Si纳米环结构的生长机理。在试验上实现了Si纳米环结构与衬底之间的电绝缘，从而为其将来的器件应用奠定了重要的基础。 (3)利用大氢稀释LBL方法制备了的单层和双层nc—Si量子点浮置栅结构，并研究了其中的电荷存储现象。通过比较单层和双层结构的电荷存储特性，以及建立相应的理论数值模型，我们研究了其中的电荷存储机制并提出了具有增强电荷存储能力的双层nc-Si量子点浮置栅单电子存储器件结构。通过数值模拟分析多层结构电荷注入/释放的具体过程，我们研究了其中增强电荷存储的机制。为了进一步优化多层结构的设计以获得更好的电荷存储特性，我们比较了两种优化途径，并发现基于非对称双层nc-Si量子点结构可以在保留快速擦写和低操作电压的同时获得更为优良的电荷存储保留特性。以上结果能够为将来基于多层量子点结构存储器件的实际设计和应用提供重要的指导基础。 (4)基于一种耦合双量子点结构，我们提出了一种新的单电子逻辑功能实现方案。其原理是利用双量子点之间的电容耦合实现对通过两个量子点的输运过程的有效关联。这个结构可以被看成一对岛区电容耦合的单栅SET(Single Electron Transistor)结构。通过我们的数值模拟发现，由于两点之间的电容耦合使得经过两点的电子输运过程彼此相关。正是基于这样的耦合特性，一些具体的逻辑功能(如NAND和EXNOR)可以方便的实现。此逻辑功能实现方案不仅直接继承了SET单电子逻辑的微小尺寸和超低功耗等优点，而且其中逻辑功能实现所需单元数与以往基于传统CMOS框架的设计和基于单栅SET的设计大为减少。该设计思想有望在单电子逻辑电路设计中得到应用。