金刚石作为超宽禁带半导体材料,具有超强的抗辐照特性、皮秒级的超快时间响应、极高的热导率、极高的击穿场强,使其成为下一代强辐射场核探测器的理想材料。随着化学气相淀积（CVD）合成金刚石技术的发展,CVD金刚石核探测器在高能粒子探测、强辐照高温环境探测、脉冲场探测等多种应用场合表现出明显优于传统硅基核探测器的性能。金刚石核探测器研究的一个关键问题,是金刚石核探测器的性能不一致性巨大且机理尚不明确,高性能金刚石核探测器的占比很低,在最关键的参数电荷收集效率（CCE）、能量分辨率、电流-电压特性上体现的最为明显,这严重制约了金刚石核探测器的技术进步。除此以外,随着金刚石辐照成像探测需求的增加,迫切需要开发出全集成金刚石像素阵列核探测器,以充分发挥金刚石抗辐照能力强、响应快的优势,这需要在相关金刚石电子器件方面进行持续的研究。目前,国内研制出的金刚石核探测器的性能指标与国外的研究结果还有较大的差距,上升空间巨大,更是迫切需要在基础研究、材料生长、结构优化、制作工艺、机理分析等方面进行更深入的研究,从根本上改善国产金刚石核探测器性能明显落后于国际水平的研究现状。基于上述研究现状,本论文对核探测器的探测原理深入分析,针对金刚石核探测器工作的四个过程,即核辐射的能量沉积、电子空穴对的产生、非平衡载流子的输运、电子空穴对的收集,明确了载流子的输运与收集是制约金刚石核探测器的关键过程。从金刚石材料表征分析、高质量金刚石材料生长、新型核探测器结构、材料特性与性能的相关性方面,利用α粒子与X射线源开展研究并设计制作了高性能金刚石核探测器,同时,研究了与像素阵列核探测器相适应的相关金刚石电子器件。具体的研究内容以及成果如下:1、提出了面向核探测器应用的金刚石材料表征分析方法,实现了高纯高质量CVD单晶材料的生长。根据Type IIa型CVD单晶金刚石多样品的材料表征分析结果和α粒子能谱特性,提出了一种面向高性能CVD金刚石核探测器的材料筛选表征方案,其中PL谱对于杂质种类和含量的探测最为灵敏。基于该研究结果,发展了高质量高纯CVD金刚石生长工艺,采用生长衬底择优选择法、表面H2/O2等离子体刻蚀法一定程度上的降低了外延CVD层的位错密度,提高了结晶质量,XRD（004）面摇摆曲线半高宽仅为46.3 arcsec。利用9N氢气生长工艺、慢速生长法、高压强法抑制等离子球对石英窗口的刻蚀,大幅度的降低了CVD单晶金刚石的杂质含量,室温下的PL光谱结果表明,采用该生长工艺得到的CVD单晶金刚石没有发现任何杂质峰,材料杂质含量接近元素六“电子级”单晶质量。2、在国际上首次提出了一种金刚石表面终端调制核探测器结构,实现了国际一流的电荷收集性能。基于高纯“电子级”CVD单晶金刚石,通过氢等离子体在金刚石表面形成氢终端并与Au结合形成电极,利用RIE刻蚀形成了氧终端绝缘区。通过I-V测试表明该器件实现了优良的欧姆接触特性,当器件的电场强度为1 V/μm时,暗电流仅为7.46×10-13 A/mm2。得益于优良的电极界面特性,该器件对α粒子的能谱特性表明,电子与空穴的CCE展示了高度的一致性,器件对电子和空穴的CCE分别为98.6%与99.01%,对电子和空穴的能量分辨率分别为1.04%与0.76%。同时,脉冲电子束的测试结果表明,器件具有超快的时间响应,仅为347.4 ps。以上结果表明,该器件可以应用于带电粒子谱测量以及高速脉冲甄别。3、揭示了影响金刚石核探测器CCE性能的各种材料特性的作用。通过研究了不同杂质浓度、不同位错密度以及不同厚度的非故意掺杂的Type IIa型CVD单晶金刚石核探测器对α粒子能谱特性,并结合FTIR、XRD、Raman、PL和SIMS分析结果,发现限制金刚石核探测器CCE性能的主要因素是金刚石中的杂质,当氮杂质浓度从5 ppb增大到170 ppb,CCE将从98.7%降低到3.3%,而位错作为典型的晶格缺陷,当位错密度在106～107 cm-2量级时,其影响较小。同时,在我们所测试的厚度范围内（200μm～500μm）单纯地减薄金刚石晶体并不是获得高性能金刚石核探测器的好方法。而且,通过改进CVD单晶金刚石生长工艺,降低材料的杂质含量以及位错密度可以有效的提高金刚石核探测器的CCE。基于“电子级”CVD多晶金刚石核探测器对α粒子的能谱结果表明,多晶金刚石核探测器的电荷收集效率最大值受晶粒尺寸的最大值限制,不能进行有效的能量分辨,无法进行带电粒子能量鉴别。4、实现了CVD金刚石的高增益X射线探测。基于“电子级”金刚石材料,研究了工作于电流模式下的氢氧终端CVD单晶金刚石核探测器对剂量率为0.108～6.157Gy/min的稳态X射线的电流响应。结果表明,由于优良的欧姆接触以及体材料特性,载流子电荷再注入效应增大了探测器对X射线响应的电流增益与特征灵敏度,同时由于抑制了界面的陷阱效应,获得了接近于1的（35）指数,器件在200V（0.66 V/μm）偏压下器件的增益、SNR、特征灵敏度以及（35）指数则分别为151.83、104～106、41.441μC/Gy mm3、1.033±0.014。对于相同工艺下制备的氢氧终端CVD多晶金刚石核探测器,晶粒边界的存在导致了响应电流大幅减小,300V（0.60 V/μm）偏压下器件的增益、SNR、特征灵敏度以及（35）指数则分别为3.92、2×103～105、0.9354μC/Gy mm3、0.978±0.010。5、在国际上首次提出了HZrOx/Al2O3/氢终端金刚石MFISFET新结构,其栅介质用300℃ALD工艺一次制备完成。通过研究器件的电流电压特性表明,该器件在栅压为-10V～10V电压范围下,栅极漏电流小于7.07×10-5 A/cm2,同时蝴蝶结状的C-V特性表明,该器件具有明显的铁电回滞特性。当器件工作在VDS=-0.1 V的线性区时,连续50次的直流循环扫描下,器件展示了明显的顺时针回滞曲线,记忆窗口高达7.3～9.2 V,同时器件的开关比为109。由于HZrOx铁电栅介质的负电容特性,器件的最小SS值为58 m V/decade,器件在线性区的正向扫描阈值电压范围为-5～-3.2V,反向扫描阈值电压范围为2.3～6.0 V,正反向的阈值电压差值（35）Vth与器件的记忆窗口宽度一致。当器件工作在饱和区时,转移特性回滞曲线发生了收缩,此时的Vth分别为-1.58 V与-0.02 V,器件表现出完全的增强型特性,该研究结果表明,氢终端金刚石HZrOx/Al2O3栅介质MFISFET具有高密度集成的优点,在金刚石增强型场效应晶体管、负电容场效应晶体管和恶劣环境存储领域具有潜在的应用前景,这为未来实现金刚石单片全集成的像素阵列探测器提供了新的技术方案,奠定了研究基础。