金刚石具有超宽禁带（5.5 eV）、高热导率、高本征迁移率、高击穿电场、高饱和速度、和低介电常数等特性,在微波功率和电力电子器件领域有着巨大的应用潜力。氢终端和硅终端是两种分别利用氢和硅原子修饰金刚石表面的终端技术,与其他终端技术相比,二者分别具有载流子浓度高和绝缘膜/金刚石界面质量好等特点。采用氢终端和硅终端金刚石作为器件沟道制成的金属-氧化物-半导体场效应晶体管（Metal-oxide-semiconductor field-effect transistor,MOSFET）是目前金刚石半导体器件领域的研究热点。然而,目前氢终端和硅终端金刚石MOSFET器件仍存在机理不清晰、结构和工艺不成熟等问题,导致器件实际性能与理论值差距较大,亟需开展器件机理与模型、器件结构、和制造工艺等研究。为此,本文开展了针对氢终端金刚石器件建模、高线性氢终端金刚石器件、高电流和高阈值电压硅终端金刚石器件的研究工作,具体的研究内容分为以下四个部分:（1）针对现有经验基氢终端金刚石器件大信号模型存在拟合参数过多导致模型难以指导器件优化和电路设计的问题,提出了一种准物理基非线性大信号建模方法,模型具有物理意义明确、拟合参数较少的特点,实现了氢终端金刚石器件的准物理基大信号精确建模。该方法首先建立了能够准确表征氢终端金刚石的表面吸附物和碳-氢（C-H）偶极子物理机理的数值物理模型,获得了载流子浓度和电场分布,然后基于区域划分理论进行漏电流解析建模,最终实现了饱和功率超过90%的精度,并且该漏电流模型仅包含7个拟合参数,与传统经验模型相比拟合参数减少30%以上。（2）针对采用氧等离子体前驱体制备的低温原子层沉积氧化铝（Atomic-layer-deposited Al2O3,ALD-Al2O3）栅介质固定电荷含量较高导致传统氢终端金刚石器件存在线性度性能不佳的问题,提出了一种采用水（H2O）作为前驱体制备低温ALD-Al2O3的栅介质工艺,制备的ALD-Al2O3薄膜具有固定电荷较低的特点,实现了高线性氢终端金刚石器件制备。该工艺突破了传统ALD-Al2O3栅介质固定电荷含量高导致器件迁移率和线性度性能不佳的关键瓶颈,制备的ALD-A12O3薄膜固定电荷含量低至3.7 × 1012 cm-2、器件有效迁移率稳定保持在105～200 cm2/V·s范围内。实验结果表明,制备器件实现了线性度优值（gmmax× GVS）大于673 V.m S/mm,相比采用氧等离子体前驱体低温ALD-Al2O3工艺制备的器件提升了超过一倍。（3）针对采用选择生长法制备的传统硅终端金刚石器件存在栅介质质量不高导致输出电流较低和阈值电压（Thresholdvoltage,VTH）稳定性较差的问题,提出了一种栅介质重置的工艺优化方法,重置后栅介质具有均匀性较好的特点,突破了选择生长法形成硅终端的反应机理不清晰导致器件性能优化困难的关键瓶颈,同时实现了器件输出电流和VTH稳定性的有效提升。通过将重掺杂金刚石（p++-Diamond）选择生长完成后质量不高的二氧化硅（SiO2）掩膜去除,然后沉积ALD-Al2O3薄膜,实现了硅终端金刚石器件的栅介质重置。实验结果表明,该方法制备器件实现了最大漏电流密度（|I/DMAX|）大于310mA/mm,相比保留质量不高的SiO2掩膜作为栅介质制备的传统硅终端金刚石器件提升了近一倍,并且制备的不同沟道长度器件VTH波动范围为0.5 V,相比上述传统硅终端金刚石器件降低了 93%。（4）针对选择生长法制备硅终端金刚石器件存在金刚石表面硅（Si）密度不足导致器件难以稳定实现高VTH的问题,提出了一种基于分子束沉积技术制备高密度硅终端的器件实现方法,沉积Si膜具有密度高和厚度可控的特点,能有效提升金刚石表面的硅终端密度,有利于实现高VTH硅终端金刚石器件的稳定、可控制备。进一步地,提出了一种通过定位高频电容-电压（C-V）曲线中电容“塌陷”中心位置的平带电压（Vfb）提取方法,获得了 Al2O3/氧化后高密度硅终端界面的正固定电荷密度～7.8 × 1011 cm-2,揭示了器件的增强型工作原理。此外,为了突破采用分子束沉积法制备硅终端金刚石器件面临的缺乏合适的欧姆接触这一关键瓶颈,提出先采用金属掩膜制备p++-Diamond（p++-Diamond-First）作为欧姆接触、后采用分子束沉积Si膜作为沟道的器件实现方法。实验结果表明,该方法制备的不同沟道长度器件|VTH|不低于10 V,相比采用选择生长法制备的类似MOS结构器件提升了近一倍,并且器件VTH波动范围仅为0.2 V,相比传统硅终端金刚石器件降低了 97%。