由于二硫化钼具有原子级的厚度,合适的带隙大小和晶圆级批量制造的潜力,因而高性能的单层二硫化钼场效应器件在构造下一代原子级薄的数字集成电路方面具备极大的潜力。本论文主要从二维材料的场效应器件的加工、性能优化、原型器件的制备,以及二维材料器件的大面积制备与垂直集成方面开展工作。首先,我们发展了一种可控的、非破坏性的原位氧掺杂单层二硫化钼的化学气相沉积技术,氧掺杂浓度在20%-25%以下可调。氧以一种取代硫原子的形式存在于二硫化钼的晶格之中,保留了二硫化钼2H相的周期性结构;氧掺杂剂的引入可以有效调节本征二硫化钼的能带结构,并且没有引入杂质能级。此外,氧取代掺杂可以有效提高单层硫化钼的电子质量,基于掺杂的二硫化钼薄膜加工的场效应器件具有优异的电学性能,比如增强的薄膜电导和N型的掺杂效应。这种原位氧掺杂技术,可用于未来高性能、大面积集成薄膜晶体管领域。第二,我们采用二维材料作为器件的基本构造单元,比如采用生长的单层二硫化钼,机械解离的少层石墨烯和氮化硼,分别作为器件的沟道材料、介电层和接触/栅电极的构造单元,通过层层转移、逐层加工的组装办法,实现了垂直集成多层全二维的二硫化钼场效应器件。由于集成的每层器件都采用全栅结构的设计和采用石墨烯作为接触电极,因而每层器件单元都具有比较优异的综合器件性能,比如增强的栅控能力、超高的电流开关比、理想的亚阈值摆幅、较高的器件迁移率和小的接触电阻。进一步我们实现了基于全二维材料的多功能器件层的垂直集成,比如存储层、逻辑层和传感层的多功能垂直集成系统。该工作为实现垂直集成高性能的全二维器件系统提供了一个技术参考。第三,发展高性能、稳定、可靠的人造突触器件,是发展基于非冯·诺依曼计算架构系统的类神经计算必不可少的基石。然而,突触器件的可靠性、稳定性,突触权重更新行为的对称性与线性度等,都是在实现高能效的类神经计算时需要解决的重要问题。实验上我们采用全二维材料,制备了一种基于非易失特性的两端浮栅存储器的人造突触器件,具有非常优异的权重更新行为可调节特性,实现了对称的、线性的突触权重更新行为的输出,并具有非常高的重复性和可靠性。该实验结果说明我们设计的全二维材料的浮栅存储器人工突触在高刷新速度、高精度和低功耗类神经计算方面具有极大的潜力。第四,高性能、低功耗的单层二硫化钼薄膜晶体管的制造,对于实现数字集成电路,以及可穿戴柔性器件是非常必要的,但是依然受限于高质量电子级材料的批量制备、高介电常数介电层的沉积和金属半导体的接触质量的提高。为了满足未来基于二维材料器件的产业化发展需求,材料的高通量制造、电子器件的性能优化、器件的产率与均匀性,以及低功耗的需求亟待解决。这里我们优化了超薄氧化铪介电层的沉积问题,其等效氧化物厚度可以有效降低至1纳米;并基于我们制备的高质量大晶粒的四英寸的二硫化钼晶圆,我们制备了大面积集成的高性能的二硫化钼场效应器件,具有陡峭的亚阈值摆幅、高的电流密度、极小的回滞、超低的漏电流,以及理想的器件均匀性和产率。进一步地,我们在柔性衬底上实现了大面积集成的逻辑器件的制备,这些器件可以在小于1V的操作电压下稳定工作,并具有非常高的逻辑反相器增益(Gain=397@Vdd=1V)。实验上制备的具有高性能、低功耗特性的二硫化钼场效应晶体管与集成电路器件,在未来高能效数字集成电路和系统方面具有极大的应用前景。