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晶体管特征尺寸的不断缩小推动着半导体技术的快速发展,将人类带入了信息时代。但是随着栅极长度的减小,栅极电压对于晶体管沟道的控制能力也快速衰减。为了提高电流开关比,抑制短沟道效应,不断缩小的特征尺寸要求晶体管的沟道厚度也急剧缩小。采用最新的鳍式结构制备的硅晶体管,目前达到了7 nm的工艺节点,其中它的鳍宽度（沟道厚度）已近缩小到5 nm。但是继续缩小硅晶体管的沟道厚度,超薄的硅薄膜会产生大量的缺陷,将会严重影响硅晶体管的迁移率等电学性能。与传统的硅基体材料半导体相比,二维半导体具有原子级平整的表面,所以在其达到原子尺度的极限厚度时仍然具有稳定的电学和光学特性。另外,由于二维半导体其本身就是绝缘层上硅结构,该结构栅极控制能力强,可以有效抑制晶体管的短沟道效应,有望解决小尺度硅器件所面临的主要挑战。但是目前被发现的二维半导体都有各自的优缺点,可以直接代替硅的完美二维半导体仍然没有出现。所以为了充分利用现有的二维半导体的优良特性,将不同的二维半导体进行组合,取长补短,实现具有特殊功能的范德华异质结器件是二维半导体研究的一个重要方向。本文基于以上研究思路,采用范德华异质集成的方法,设计与制备不同功能的二维半导体范德华异质结器件,并详细阐述其工作机理和性能特点,主要工作有以下三点:1.基于GaN纳米线和二维半导体MoS2范德华异质结产生的大的pn结势垒,制备GaN纳米线为顶栅的短沟道MoS2场效应晶体管。与传统MOS结构的顶栅MoS2晶体管不同,该范德华异质结晶体管具有准MESFET的结构,可以直接利用GaN纳米线/MoS2范德华异质结产生的pn结势垒来抑制栅极漏电流的形成。由于该晶体管结构中没有绝缘栅极电介质的存在,直接增强了GaN纳米线栅极对于MoS2沟道的调控作用,有效地抑制了器件的短沟道效应,使其常温下该短沟道的MoS2顶栅晶体管的亚阈值摆幅仍然接近理论极限,获得高的电流开关比。另外,物理转移GaN纳米线顶栅的方法,极大地提高了顶栅/沟道的界面质量。为制备性能优异的顶栅MoS2晶体管提供了新的思路。2.基于费米能级随栅极电压Vg变化很小的p型半导体GeSe和费米能级随栅极电压Vg大范围移动的双极性二维半导体WSe2,制备了光探测性能可被栅极电压Vg有效调控的GeSe/WSe2范德华异质结光探测器。另外,通过与GeSe/MoS2范德华异质结光伏特性不可调,以及GeSe/石墨烯范德华异质结没有光伏现象做对比,证明了GeSe/WSe2范德华异质结光探测器性能可调的原因是两种半导体材料的费米能级对于栅极电压Vg具有显著不同的灵敏度,造成费米能级的差值(Efp-Efn)随栅极电压Vg变化而发生明显波动。3.基于MoS2和碳纳米管薄膜的电学特性,制备非挥发性的MoS2/碳纳米管薄膜范德华异质结光电存储器。利用栅极电压Vg控制光生载流子在MoS2和碳纳米管薄膜中的转移,及其在电荷陷阱中的捕获和释放,该非挥发性的光电存储器实现了光信号的写入、存储和擦除过程。该异质结光存储器还可以制备在柔性透明衬底上,也作为光探测器使用。基于其独特的转移特性曲线,该器件甚至能够应用于研制三进制的CMOS逻辑电路中。