随着微电子技术的飞速发展，人们对高性能信息处理和高集成度的要求不断地提高，硅基CMOS集成电路的制造工艺正迈入10纳米节点。纳米材料与器件的制备工艺、纳米器件物理和集成电路的研究是支撑信息技术发展的重要内容。基于库仑阻塞效应的单电子晶体管具有超小尺寸、超低功耗、高开关速度和对电荷具有极高灵敏度等优点，已引起人们长期和广泛的关注。虽然由于纳米加工精度的限制，单电子晶体管尚未在大规模集成电路中产生预期的作用。但是，随着对单电子效应和固态量子器件的深入研究和新兴材料与纳米加工技术的快速发展，基于单电子效应的量子器件在未来信息技术中将占据重要地位。本文关注与基于单电子效应的核心器件研究并行发展的另一个重要方向，即纳米材料、纳米电子器件及其电路的测试表征技术。发展在纳米尺度下进行材料与器件中电学输运的测试表征技术对推动纳电子器件与电路研究具有重要意义，也是未来纳电子器件应用的重要内容之一。　　本论文从已知的单电子晶体管具有极高的电荷探测灵敏度特性出发，采用在Silicon-on-insulator(SOI)上制备单电子晶体管扫描探针的工艺制各路线，采用射频共振电路与单电子晶体管探针集成获得高速电荷响应的器件集成思路，采用射频单电子晶体管扫描探针应用的系统仿真方案，研究电荷扫描成像与示波系统的核心器件和关键技术问题，为发展一种具有高灵敏度、高空间分辨率和高速的电荷扫描探针系统提供核心器件、系统集成关键技术和数据分析方法的支撑。本论文主要研究内容有:　　1.建立了两种单电子晶体管器件的物理模型，基于COMSOL和MATLAB实现了器件与探针系统的仿真。一是，针对国际上尚未实现射频单电子晶体管电荷检测的定量化研究，建立射频单电子晶体管探针扫描探测的物理模型，阐明了探针信号及其动态范围与被测器件、两者耦合强度之间的关系，给出了探针信号的定性和定量化分析方法。二是，建立了机电式电荷传输器件的物理模型，通过模型的仿真模拟和微米球电荷传输模型器件的实验研究，阐明了动态电容在机电式电荷传输中的新机制，指出了国际上现有机电式电荷传输器件作为电流标准的误差来源。　　2.基于SOI的射频单电子晶体管及其探针的制备工艺研究。采用图形反转的电子束曝光工艺实现单电子晶体管尺寸和隧穿势垒的控制，制定形成了一套可制备小批量、成品率最高可达30％的工艺流程。在此基础上，结合射频单电子晶体管探针的扫描应用，分别设计了直接式扫描探针和音叉集成式扫描探针，开发了两种探针的制备工艺，实现了两种探针的加工制备。　　3.完善了单电子晶体管、射频单电子晶体管和音叉集成探针的电学测试与表征方法。解决了测试过程中单电子晶体管击穿失效的问题，实现了在室温和7K下能够正常工作的透射式和反射式两种射频读出电路。利用自主研制的音叉集成扫描探针实现了室温和7K下的原子力扫描成像。验证了上述器件制备工艺可实现最高工作温度达到100 K、最小导通电阻小于100 kΩ的单电子晶体管。　　4.设计实现了射频单电子晶体管扫描成像与示波的原型系统。自主研发了低温真空子系统、室温和低温下的减振机构和射频单电子晶体管扫描成像模块。　　本论文工作的主要创新点有以下3点:　　1.论文重点研究的射频单电子晶体管探针是一种国际上尚未实现的新型探针，在现有技术的基础上进行了创新性的集成与发展。　　2.建立了完整的射频单电子晶体管探针扫描探测的物理模型，为扫描成像提供了探测信号的定性定量分析方法。　　3.基于SOI材料，开发了基于图形反转电子束曝光制备单电子晶体管及其探针的完整工艺流程。　　主要的不足之处在于:　　1.受限于纳米加工精度，不同工艺批次的单电子晶体管成品率在10％-30％间波动。在后续的研究中将进一步优化隧穿势垒的图形转移、刻蚀和氧化工艺，并增加工艺参数的测量监控和动态调整，使成品率得到大幅度的提高。　　2.由于SOI衬底材料的电阻率低，在单电子晶体管与衬底间产生过大的寄生电容，抑制了射频单电子晶体管探针的谐振特性。在后续的研究中将采用本文开发的制备工艺在具有高电阻率衬底的SOI材料上实现谐振特性良好的射频单电子晶体管探针。