高功率、高频率、高效率是新一代电子信息与通讯系统核心元器件的首要要求。金刚石作为超宽禁带半导体的典型代表，具有比氮化镓、碳化硅等第三代宽禁带半导体更大的禁带宽度，同时，金刚石载流子迁移率高、饱和速度大、抗辐照性能好，还具有极高的热导率，是新一代高功率核心元器件的理想材料，被誉为“终极半导体”，能够满足下一代无线通信系统对功率容量、耐压能力、频率以及散热能力的迫切需求。此外，金刚石优异的低漏电、超快响 应、抗辐照等特性，使其在脉冲强辐射场探测领域有着其他材料无可比拟的应用优势。

  金刚石材料及半导体器件从上世纪九十年代随着化学气相沉积技术的发展 而迎来了一个快速发展期。随后的三十年间，虽然高质量金刚石材料研究在国际上取得了突破，但是国内技术还较落后；同时国际国内金刚石电子器件研究一直进展缓慢，这主要是由于金刚石的半导体导电特性调控也是世界性难题。金刚石的体掺杂室温激活极其困难，以传统pn结结构制备器件难以实现；室温下氢终端金刚石可形成表面p型电导，基于该电导的金刚石表面沟道场效应管成为金刚石电子器件的主流结构，但是该电导的输运特性差且难以调控、稳定性也较差，阻碍了金刚石电子器件的快速发展。金刚石辐射探测器从材料到器件在国际上已有商业产品，但是国产器件的核心性能指标电荷收集效率长期难以提高，导致探测器响应信号弱且能量分辨率差，阻碍了国产器件的发展和应用。基于以上研究态势，金刚石高质量单晶生长、电导调控与新型器件成为近年来超宽禁带半导体金刚石的研究核心难点与热点。

  本成果针对超宽禁带半导体金刚石微波功率器件与辐射探测器研制面临的关键科学问题，在国家重大项目的支持下，围绕金刚石单晶生长缺陷与杂质合并机理、多晶抑制方法、表面电导形成及调控机制、新型器件原理与结构等关键问题，建立了一整套超宽禁带半导体金刚石高质量材料生长理论、高性能电导调控与新型器件研制方法，提出多项关键理论与方法创新。在中美贸易战以及美国对高质量金刚石材料与关键技术限制出口背景下，该成果构建了超宽禁带半导体金刚石从单晶材料到核心器件系列关键理论与技术体系，有力提升了我国在超宽禁带半导体核心技术的国际竞争力，同时该理论与技术的创新也为超宽禁带半导体金刚石材料与器件在新一代信息与通信系统中的应用奠定基础，使宽禁带半导体成为我国自主创新和突破卡脖子问题的一面旗帜。

  本成果核心创新点包括：

      1. 金刚石表面终端电导和场效应管性能提升的关键机理

  金刚石氢终端表面能够在室温下形成表面电导，但是其载流子迁移率低且难以调控一直是阻碍金刚石电子器件发展的关键难题，国际上近三十年未取得实际进展。本成果针对该重大难题，在国际上首次提出了氢终端金刚石表面载流子输运的基础理论，揭示了限制载流子迁移率的关键物理机制，促使国际上金刚石表面电导调控取得突破性进展，电导提升一个数量级，为金刚石场效应管的跨越式发展奠定了基础。

      2. 新型氢终端金刚石表面转移掺杂调控机理及高性能场效应管

  金刚石依托于表面终端结构实现的电导通常由气态转移掺杂引起，具有电导稳定性差、方阻高的问题。本成果针对这些问题，采用高温原子层沉积的介质及高功函数介质实现对氢终端金刚石表面的固态转移掺杂和能带调控，实现载流子输运特性及器件性能的提高。本成果揭示了Al₂O₃在氢终端金刚石表面具有不同于过渡金属氧化物的固态转移掺杂机理，从固态转移掺杂方法、沟道迁移率、界面态、变温特性等方面对固态转移掺杂金刚石场效应管的器件机理开展了系统研究；进一步研究新型器件结构与制备工艺，实现氢终端金刚石场效应管性能的显著提高，达到同期国际领先水平。

      3. 高电荷收集性能金刚石辐射探测器和材料

  本成果针对金刚石辐射探测器电极接触性能差、电荷收集效率(CCE)低、影响机理不明确的问题开展研究，通过表面终端势垒调控方法解决高纯金刚石上的高性能欧姆接触问题，系统研究了金刚石的杂质和位错缺陷对电荷收集特性的影响，建立了高电荷收集性能金刚石单晶材料的杂质抑制和外延制备技术。突破了金刚石辐射探测器技术一直远落后国外的技术壁垒，将金刚石辐射探测器的CCE提高到99%，这是国内最高、国际领先的电荷收集性能，使国内金刚石辐射探测器的发展迈上新的台阶。

  该项目聚焦高质量金刚石半导体单晶材料高性能半导体器件发展与应用中面临的核心共性科学难题，建立起一整套具有自主知识产权的新方法、新结构和新技术，推动我国金刚石材料与器件的自主可控和高水平发展。该项目发表相关SCI论文30余篇，被Nature Electronics （IF=33.255）、Carbon (IF=11.307) 、Physical Review B (IF=3.908)等刊物SCI他引150余次。其中5篇代表性论文被他引用102次，获得IEEE终身会士、伊利诺伊州大学芝加哥分校杰出教授M. Dutta和IEEE会士、麻省理工学院J. A. del Alamo教授、斯坦福大学宽禁带半导体实验室负责人S. Chowdhury教授以及日本金刚石半导体学会会长、早稻田大学H. Kawarada教授和日本国立材料科研究所（NIMS）首席研究员Y. Takahide等国际顶尖专家学者的高度评价及肯定。项目第一完成人是宽禁带半导体著名专家、中科院院士郝跃教授科研团队的金刚石半导体方向带头人，主持了某发展部元器件专项、自然科学基金重点项目等十余项金刚石相关科研项目，编著了我国第一部氮化物半导体材料与电子器件专著、参与编著了我国第一套宽禁带半导体系列丛书。本项目相关成果打破了美国和欧盟等西方国家的技术限制与垄断，为我国金刚石半导体持续高水平自主创新和发展应用做出重要贡献。