随着半导体集成电路产业的发展，异质集成技术极大地增加了结构的集成度。然而，自热效应和外界复杂电磁环境效应都会导致异质功能结构温度上升，严重威胁电路的性能与可靠性，其中涉及到非常复杂的电(磁)场和热场之间相互耦合作用。三维异质功能结构中多物理耦合过程建模仿真具有广泛的应用价值，但极具挑战性，它是设计异质集成电路及确保其可靠性的重要手段。
　　该博士学位论文针对异质功能结构中的新型石墨烯电极阻变存储器(RRAM)、多值存储RRAM、不同阻变材料的高密度堆叠RRAM(交叉电极和垂直电极)阵列、射频功率放大器(PA)中键合线阵列和限幅器中二极管等结构中典型多物理效应开展了系统和深入的创新性研究。论文主要研究内容和创新点概述为：
　　(1)研究了异质功能结构中多物理耦合过程建模方法。介绍了温变材料参数模型、阻变材料参数模型和多物理耦合过程描述方程。构建了RRAM中石墨烯电极的电导率模型，揭示了其中的工作机理。另外，根据已有多值存储模型，提出了改进的多值存储RRAM多导电细丝模型。进一步地，研究了多物理场仿真算法与大规模并行实现方法。实现了漂移-扩散方程、电流连续性方程和热传导方程的有限差分方法(FDM)和有限元方法(FEM)多物理耦合过程求解，用于异质功能结构中多物理效应仿真。
　　(2)仿真分析了RRAM单元中多物理场耦合效应。基于RRAM多物理模型和提出的石墨烯电导率模型，采用自研FDM算法研究了石墨烯电极RRAM单元的工作原理和氧空穴漂移-扩散、电流输运和热传导多物理耦合过程，为新型石墨烯电极RRAM的优化设计及可靠性提供了理论指导。进一步地，基于RRAM多物理模型和改进的多值存储RRAM多导电细丝仿真模型，采用自研FDM算法，分析了多值存储RRAM单元中的多物理效应，通过随机改变导电细丝的位置，仿真分析了多值存储RRAM的可靠性，为其优化设计提供了理论指导。
　　(3)实现了RRAM阵列中多物理场耦合过程的FEM并行仿真。在“天河二号”超级计算机平台上，测试了自研算法的并行效率；基于RRAM多物理模型对比分析了新型高密度堆叠垂直电极RRAM阵列和交叉电极RRAM阵列的多物理效应、集成度和可靠性；数值分析了不同结构RRAM阵列在不受热串扰影响情况下能达到的最高集成度，为高密度堆叠RRAM阵列的优化设计和可靠性奠定基础。
　　(4)完成了限幅器中HPM注入实验与损伤效应仿真分析，实验研究了限幅器的性能降级和击穿多物理过程，并仿真分析了其中二极管的强电场分布特性和损伤部位，有助于提高限幅器的抗HPM防护设计。进一步地，完成了AlGaN/GaNHEMTPA高功率加载实验及效应分析，实验观测了PA中的自热效应，并采用自研FEM算法仿真分析了其中键合线阵列的温度分布特性，有助于提高PA的热管理及可靠性设计。