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共振隧穿二极管（RTD）是迄今为止最具应用前景的纳电子器件，已在放大器、振荡器等模拟电路，多态存储、多值逻辑等数字电路，以及光电开关、光电调节器等光电领域取得了大量的研究和应用成果。但是缺少直接有效的结构设计理论以及原子级精度的集成外延控制技术，严重地阻碍了RTD的发展。 本文基于相干隧穿理论全面深入地分析了外加偏压和双势垒结构对共振隧穿二极管隧穿特性的影响。在数值仿真的基础上提出了不对称双势垒RTD设计理论，优化了GaAs基和InP基RTD的设计结构。通过改善分子束外延的生长工艺制备出符合设计结构的高质量共振隧穿结构。最终利用台面器件工艺研制出高性能的共振隧穿二极管，器件的直流特性与理论设计一致性较好，验证了设计理论。 首先，根据相干隧穿理论，利用传输矩阵法和Airy函数代换，建立了共振隧穿输运特性的数值分析模型。在模型基础上使用Matlab计算有偏压情况下具有对称双势垒的常用GaAs基与InP基共振隧穿结构的隧穿特性。结果证明，随着偏压的增大，共振隧穿透射系数的峰值持续下降，导致器件峰值电流密度JP和峰谷电流比PVCR的降低。因此本文提出采用不对称厚度的双势垒结构提高外加偏压下的共振隧穿透射系数，改善器件的直流特性。通过仿真数值分析，最终确定了不对称厚度双势垒RTD的结构，GaAs基：AlAs(18.0A)/InGaAs(39.0A)/AlAs(20.0A)；InP基：AlAs(18.1A)/InGaAs(36.0A)/AlAs(20.1A)。 采用分子束外延技术制作共振隧穿结构。通过校准实验和模拟生长实验精确控制结构中各外延薄层的组份与厚度。利用反射式高能电子衍射（RHEED）优化异质结构的生长工艺，最终选择在c(4×4)相，采用较低V-III比与间歇法生长AlAs异质结。RTD外延样品经过高分辨X射线衍射（HRXRD）与光致发光（PL）谱测试。结果证明优化工艺有效地降低异质结界面的粗糙度，提高异质界面的质量，同时结构中各外延层组分和厚度的偏差均小于1.5％，与设计结构一致。 最后，选择台面结构制作了共振隧穿二极管器件。用环形收集极来减少接触电阻，用AuGeNi合金做发射极和集电极的欧姆接触，用空气桥技术制作内引线。通过室温直流参数测试，GaAs基RTD的PVCR达到9.16，是目前GaAs基RTD中所报道的最高值，JP为27.7×105A/cm2；InP基RTD的PVCR为17.9，JP达到132×105A/cm2，是迄今InP基RTD中报道的最高值。而且器件的I-V特性还表明，外加偏压影响下，当电子从较薄势垒向较厚势垒隧穿时，更容易获得高的PVCR，反之则获得较大的负微分电阻电压区域。