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随着微电子技术的飞速发展，作为Si基集成电路核心器件的金属氧化物场效应管(MOSFET)特征尺寸需不断减小。由于量子隧穿效应的影响，作为传统栅介质的SiO2减小到原子尺寸时将失去介电性能，而传统Si沟道将面临迁移率下降等问题。采用高介电常数（高κ）栅介质替代传统介质SiO2已经得到业界认可。石墨烯由于优异的载流子输运特性有望代替Si成为下一代集成电路的沟道材料;石墨烯良好的透光性与导电性，又使其适用于光电器件的制备。通过形成石墨烯/高κ介质异质结可实现对石墨烯费米能级的栅压调控，因此石墨烯/高κ介质异质结形成技术是实现石墨烯晶体管和石墨烯光电探测器等石墨烯基器件应用的关键技术。由于石墨烯表面呈化学惰性、缺少成核的悬挂键，无法直接利用原子层沉积(ALD)技术形成石墨烯/高κ介质异质结，通常需要对石墨烯表面进行功能化处理，然而石墨烯表面功能化易对石墨烯晶格造成损伤，且部分功能化方式引入的过渡层介电常数低，不利于提高栅极调控沟道电荷的能力。因此，如何利用ALD技术直接形成高质量的石墨烯/高κ介质异质结，且对石墨烯晶格不造成损伤是迫切需要解决的难题。 鉴于此，本论文针对ALD技术直接形成石墨烯/高κ介质异质结及其形成机理开展系统研究工作，创新性提出利用石墨烯表面范德瓦尔斯力物理吸附的水分子作为ALD技术中金属前驱体的成核点，通过自限制反应直接形成石墨烯/高κ介质异质结。重点研究范德瓦尔斯力物理吸附水分子形貌对石墨烯/高κ介质异质结形成的作用机理，调控石墨烯表面水分子形貌和优化双温区生长窗口提高石墨烯/高κ介质异质结质量，分析石墨烯/高κ介质异质结形成方法和处理过程对石墨烯的掺杂机理。具体如下: 1.石墨烯与水分子之间的范德瓦尔斯力作用使水分子通过固-气物理吸附在石墨烯表面，并且作为成核点，与ALD过程中的金属前驱体TMA发生置换反应生成Al2O3，随着ALD循环数的增加最终形成石墨烯/Al2O3异质结。 2.通过双温区生长窗口优化，实现低温区水分子均匀地物理吸附在石墨烯表面，提供均匀致密分布的成核点，促使石墨烯/Al2O3异质结形成;形成连续的Al2O3介质层后，提高ALD工艺温度、增大Al2O3介质层的致密性，并减小介质层中羟基基团含量。 3.通过水基ALD技术双温区生长模式优化，所形成的石墨烯/Al2O3异质结中Al2O3的相对介电常数可达7.2，击穿场强达9MV/cm;通过同样方式优化，亦可直接形成石墨烯/HfO2异质结，其中HfO2介质层的相对介电常数可达25;且通过水基ALD对HfO2进行Al2O3掺杂，可直接形成石墨烯/HfAIO异质结，并通过HfO2上Al2O3堆垛方式优化，HfAIO介质层的相对介电常数大于10且在800℃高温退火后仍能保持非晶状态。 4.水基ALD技术形成石墨烯/高κ介质异质结过程温和且高效，不会对石墨烯引入缺陷。 5.基于马库斯-格里舍尔(Marcus-Gerischer)电荷转移掺杂理论，水基ALD技术可实现石墨烯的N型掺杂，形成石墨烯/Al2O3异质结后，Al2O3介质层可起到有效的隔离作用，避免石墨烯与外界空气接触，保证了水基ALD诱导法形成的N型石墨烯室温下的稳定性，使其可被探测到。 6.水基ALD诱导法形成的N型石墨烯具有可逆性，可被高温退火修复。