为了实现高性能低功耗的集成电路技术，新材料和新器件结构开始被广泛研究。二维范德华异质结由二维层状材料之间的范德华力结合，无需考虑晶格匹配和热膨胀系数匹配等制约因素，因其丰富的能带组合类型为设计新结构、多功能的电子器件带来了巨大的想象空间。因此，基于二维范德华异质结的存储、高频、逻辑等器件将在未来的微电子器件中发挥重要作用。二维半导体黑磷(BP)是一种具有各向异性的双极性半导体材料。直接带隙的黑磷具有带隙随厚度可调特性且室温下的迁移率高达1000cm2V-1s-1。多层二硫化铼(ReS2)是一种带隙约为1.5eV并具有各向异性的n型半导体材料。本文利用黑磷和二硫化铼的独特性质构建不同结构的多功能异质结器件，详细分析了器件的工作机理，并系统的表征了器件的电学特性。其主要内容包括以下几个方面。
　　(1)本文实现了基于硅衬底和柔性衬底上的黑磷浮栅存储器。在黑磷/氧化铝/黑磷实现的存储器结构中，沟道中的载流子在栅电场作用下隧穿进入并俘获在浮栅中实现信息的存储。研究表明，该浮栅存储器实现的编程/擦除比超过103，且在1200s持续测试中保持稳定。由于使用了高κ栅介质，存储器可以在15V以内进行擦写操作，且实现载流子注入速度超过1019cm2s-1。最后，柔性器件可以在1.25%的弯曲度的状态下弯曲超过1000次，展现了器件良好的耐弯曲特性。
　　(2)本文还研究了黑磷/氧化铝/黑磷结构的多端垂直隧穿器件。本文系统地分析了器件的工作原理和电学特性。器件可以高效地实现载流子从上层黑磷到下层黑磷的带间隧穿。与传统隧穿器件相比，隧穿的载流子在该结构中的输运垂直于沟道中驱动电流的输运。隧穿电流引起的空间电荷效应可以调节上层沟道黑磷中的载流子浓度导致一个巨大的负微分电阻(NDR)现象和极小的亚阈斜率(室温下小于60mV/dec)。该器件以仅为热电子发射极限1/10的体因子在70K到360K的温度范围内都实现陡峭亚阈斜率开关的特性。
　　(3)本文最后研究了基于黑磷/二硫化铼的横向异质结器件，并分析了其机理和多功能化的应用。在黑磷器件的界面工程中，通过使用高κ介质对界面的优化，提高了黑磷晶体管的性能。通过对黑磷器件进行氧化使界面处形成POx层，实现了存储功能。在此基础上，本文建立能带模型对黑磷/二硫化铼异质结的反双极性(Anti-ambipolar)的输运机理进行了分析。利用异质结器件首次实现了三进制且具有非易失性的逻辑反相器和可调的“三语”响应人造突触。展示了范德华异质结在实现多功能存算一体器件中的优势。
　　这些发现为异质结输运机理的分析提供了参考，为异质结作为新功能和多功能电子器件提供了思路，展示了二维异质结电子器件在未来微电子技术中的应用潜力。