近些年,随着硅基半导体工业的快速发展,场效应晶体管的尺寸日趋减小,这一方面降低了能耗,另一方面也显著提升了器件的性能及集成度。然而,当前硅工业广泛采用的是自顶向下的途径(Top-Down),意即将体硅材料经由光刻、刻蚀、沉积等加工工序来制备功能器件并加以集成。这种方法在微电子学领域取得了极大的成功,不过随着器件的尺寸进入纳米尺度,无论是器件制造还是性能提升,现有工艺、材料都已愈发吃力。为了解决以上问题,一种前瞻的方案是结合前沿的纳米科技,采用自底向上的途径(Bottom-Up),从原子、分子出发,精确控制纳米材料的合成,作为基本构造模块构建纳米功能器件并用于电路集成。针对以上需求,我们尝试从工艺、材料以及器件结构等方面着手研究,用以提升纳米半导体器件的性能并进一步研究其实际应用。本论文以一维氧化铟纳米线及二维硫化钼为例,具体围绕以下四部分内容展开：一、基于氧化铟纳米线增强型场效应晶体管的研制。近年来,以氧化铟纳米线为代表的一维金属氧化物纳米材料因其优秀的电学及光学特性而受到广泛关注,但是基于其研制的场效应晶体管多数为耗尽型,这一方面增加了电路能耗,另一方面也使得电路设计更为复杂。以往研究多是通过表面修饰的方法来改变器件的阈值电压,但这同时也会导致其它性能参数的下降。这里我们通过金属掺杂的方式,成功制备了氧化铟纳米线增强型器件,通过金属掺杂浓度的变化,在不影响其它电学参数的前提下,器件的阈值电压得到了有效的调控。另外,考虑到器件微型化的趋势,我们也讨论了沟道长度对纳米线器件具体性能的影响。进一步,我们将掺镁氧化铟纳米线应用于薄膜晶体管领域,所得器件的最大饱和电流达到0.5mA,开关比超过109,场效应迁移率高于110 cm2/V-s,同时亚阈值斜率及阈值电压相较单根纳米线器件没有任何变化,表明掺杂方式可充分满足金属氧化物半导体材料在高性能、低功耗薄膜晶体管领域的应用需求。二、基于氧化铟纳米线“锁钥式”理想气敏传感器的设计及验证。我们尝试设计了一种理想的“锁钥式”气敏传感器,用于复杂环境中单一目标气体的选择性探测。传统气敏传感器多是通过分析不同气氛中传感器灵敏度的变化来大致辨别气体种类,与之不同,这种“锁钥式”气敏传感器可针对性的仅对某指定气体产生响应。为了验证这一设计理念的可行性,我们具体以氧化铟纳米线增强型器件作为传感器平台,在纳米线表面沉积金属纳米颗粒以增强其对特定气体的响应。最终结果表明,所制得的器件可在室温条件下实现对单一还原性气体的选择性探测。同时,其在灵敏度、功耗及响应时间等方面的表现同样满足应用需求。这表明基于半导体纳米线“锁钥式”传感器的设计理念完全具备现实可行性,并可进一步由化学传感领域扩展至生物传感领域。三、通过界面设计研制高性能硫化钼顶栅晶体管。我们采用材料表面功能化的方法成功实现了硫化铝表面高质量氧化铪介质层的沉积,进而获得了高性能硫化钼顶栅型场效应晶体管。具体通过在硫化钼表面沉积多种超薄金属氧化物缓冲层,解决其缺少悬挂键,无法形成大面积介质层高质量沉积的问题。利用金属钇较高的熔点以及与硫化钼间良好的浸润性,基于硫化钼/氧化钇/氧化铪顶栅结构的器件最大饱和输出电流可以达到526mA/μm,这是目前硫化钼器件中最大的一个数值,与硅器件相接近。同时,器件的迁移率可以达到63.7cm2/V-s,开关比达到108,亚阈值斜率接近理论极限(65mV/decade)。另外,我们进一步构造了一个基于硫化钼的基本逻辑器件一反相器,其电压增益可以达到16。以上结果表明恰当的界面设计可有效提升硫化钼晶体管的性能,有助于促进其实际应用。四、基于h-BN/HfO2堆叠栅介质高性能二维场效应晶体管的研制。在近十年期间,基于对石墨烯材料电输运特性的广泛研究,人们逐渐意识到二维半导体材料所处的介质环境对载流子的输运起到至关重要的作用。考虑到现有的成熟制备工艺,目前基于二维材料的场效应晶体管多数还是采用二氧化硅作为介质层。受二氧化硅表面粗糙度、陷阱电荷及光声子散射的影响,相应器件的电学性能往往与理论预期相差巨大。为了将介质层对载流子输运的影响降至最低,我们尝试将化学气相沉积法获取的六角氮化硼与高介电常数电介质氧化铪结合,形成一种堆叠结构的电介质。利用六角氮化硼制备过程中表面原子缺陷形成的悬挂键作为氧化铪原子层沉积的成核点,二者相结合用于克服单一氮化硼介电常数低下且层厚不可控的弊端。同时介质层表面库仑杂质散射、光声子散射也得以抑制,最终获取基于硫化钼的高性能顶栅晶体管。另外,这种介质结构还进一步被证实可应用于石墨烯晶体管和氮化镓高电子迁移率器件中。其中石墨烯顶栅晶体管迁移率为9700cm2/V-s,并且饱和电流达到2.9 mA/μm。应用于氮化镓器件中时,h-BN可有效抑制Ga-O键的形成,从而显著提升界面质量。