氧化锌(ZnO)是一种直接带隙半导体材料，室温下带隙为3.3eV，激子束缚能为60meV。ZnO因其优越的光电特性在高亮度蓝紫光发光器件、紫外探测器件和短波长激子型激光器等方面具有广阔的应用前景。1997年ZnO室温受激发射现象的报道在全世界范围内重新掀起了ZnO材料的研究热潮。2001年ZnO自组装纳米线阵列紫外激光器的实现也引发了人们对ZnO纳米材料与器件研究的极大兴趣。同时，Mn等过渡金属掺杂的ZnO可实现居里温度高于室温的铁磁有序性，在自旋电子学和自旋电子器件应用方面具有广阔前景。目前，ZnO基材料与器件的研究已取得了令人鼓舞的突破性进展，同质发光二极管已得到初步实现，发展ZnO基材料与器件已成为当前半导体科学技术研发的热点。 本论文针对目前ZnO材料与器件研究的前沿问题，就材料生长机理、外延优化、发光机制、原位掺杂和器件应用等开展了以下四方面研究工作：一是探索发展了高质量ZnO基材料的MOCVD外延技术，深入研究了ZnO MOCVD生长动力学机理；二是深入研究了ZnO中缺陷行为与光致发光的关系，提出了新的ZnO原子缺陷模型和可见光发光机制；三是系统开展了ZnO原位掺杂机理研究，揭示了P和Ga在ZnO晶格中的占据行为；四是提出并实现了新型ZnO基异质结构短波长光电器件，开展了新型异质结器件的输运特性研究。具体取得了以下主要结果： 1、基于化学气相外延基本机理，针对ZnO材料生长特点，创新发展了ZnO材料MOCVD制备技术，并对其系统结构进行科学合理的设计和改进，深入开展了反应源的选择研究，成功实现了高质量ZnO材料的外延及其异质结构的制备。同时，深入揭示了MOCVD生长过程中生长温度对生长速率的限制机理，获得了合适的生长温度窗口。首次揭示了生长压力和Ⅵ/Ⅱ比对生长速率的限制机理，对高质量ZnO的外延生长具有重要的指导作用。 2，系统研究了蓝宝石基ZnO低温缓冲层生长技术和微观机制，有效克服了大失配衬底外延的难题。通过不同生长参数导致的缓冲层表面形貌和微观结构的演变过程，探索揭示了蓝宝石基ZnO缓冲层的成核机制和生长模式，掌握了蓝宝石基ZnO材料准二维生长的关键技术。　　3，深入探索了不同生长参数下外延层表面形貌、光电特性和微观结构的演变规律，在此基础上利用Al2O3(0001)、Si(111)、GaN(0001)为衬底成功实现了高质量的ZnO异质外延。同时在ZnO单晶衬底上实现了ZnO(0001)二维台阶生长的同质外延，XRD摇摆曲线仅为0.06°，薄膜单晶质量达到国际同期MOCVD外延ZnO的先进水平，为高性能ZnO基光电器件的研制提供了有效途径。初步探索了蓝宝石基ZnO薄膜的热稳定性研究，基于氧的化学吸附和解吸附作用，创新提出两步退火法，有效改善了ZnO的晶体质量和光电特性，对外延层原位退火研究具有重要的参考价值。 4.深入研究了不同生长参数对ZnO中缺陷荷电状态、浓度和类型的影响，揭示了不同缺陷引起的发光跃迁机制，进而使得ZnO外延材料的发光性质得到控制和优化。基于晶界电子能带弯曲和原子缺陷模型，深入开展了表面形貌与ZnO可见光发光关系的研究，创新提出了晶界原子缺陷新模型和不同原子缺陷引起的跃迁发光机制，揭示了ZnO薄膜中～2.2eV和～2.5eV两种绿带发光的起源，对ZnO发光性质的研究具有重要的参考价值和指导意义。 5.通过不同掺杂浓度对材料电学输运和发光特性的影响深入研究了Ga在ZnO中的掺杂行为和掺杂机理，理论分析了Ga掺杂导致的Burstein-Moss(BM)光学效应和导带能带重整化(BGR)效应，揭示了高掺杂ZnO导带非抛物形的电子能带结构特征，并首次报道了ZnO掺Ga薄膜的BGR系数实验值(1.3×10-5 meV cm)，在ZnO基本光学性质和电子能带结构的研究方面具有重要的参考价值。 6．系统开展了低压MOCVD技术实现ZnO材料P原位掺杂的研究，探索了不同生长条件下P的掺杂行为及其对ZnO：P外延薄膜晶体结构和光电特性的影响；首次从晶格动力学角度深入研究了P在ZnO晶格中的占据规律，揭示了P掺杂导致的无序激活行为和ZnO新拉曼特征峰的起源。通过电学输运和P的局域振动行为的研究，揭示了P在ZnO晶格中的两性特征和掺杂补偿机制，对ZnO P的p型掺杂及相关晶格动力学研究具有重要的参考价值和指导意义。 7．利用低压MOCVD技术成功研制出较高质量的n-ZnO/p—Si(111)新型异质结构和ZnO/GaN 异质结蓝光二极管，深入研究了异质结界面特性和输运特性，在国际上首次实现n-ZnO/p—Si 异质结的室温电致发光，深入探讨了异质结的电学输运和电致发光机制，并对LED 输运特性和器件工作特性进行深入研究，为发展宽带隙半导体异质发光器件和 Si 基集成光电子器件开拓了新的途径。 8、系统开展了ZnO基新型异质结构紫外探测器的研究工作。首先，在蓝宝石衬底上研制出响应度较好的金属—半导体—金属(M—S—M)结构ZnO光导型探测器，深入研究了光电流响应度与偏压的关系及其频响特性。同时成功研制出n-ZnO/p—Si异质结构光伏型紫外探测器。在382nm处探测器的光电流响应度高达0.032A/W，达到国际同期先进水平，具有较好的实际应用价值。