ZnO是优异的紫外发光和激光材料, 氮被认为是p型ZnO和MgZnO的理想受主掺杂剂, 但在较低生长温度下氮的掺入会显著破坏晶格完整性, 使氧化锌的载流子迁移率进一步下降。为了研究N的掺入对MgZnO薄膜的影响, 利用分子束外延设备在蓝宝石衬底上生长了N掺杂的ZnO和MgZnO薄膜。实验结果表明, 在其他条件完全相同的情况下, 当Mg源温度为245 ℃和255 ℃时,载流子迁移率会显著提高, 这一现象被归结为Mg—N成键抑制了氧位上N—N对的形成, 缓解了晶格的扭曲。同时当Mg源温度为275 ℃时, 能够使N掺杂ZnO薄膜中的施主浓度降低一个量级, 有利于实现p型掺杂。

采用分子束外延法制备不同密度的银纳米粒子（Ag NPs）修饰的局域表面等离子体共振增强n-ZnO/i-ZnO/MgO/p-GaN 异质结发光二极管（LEDs），并对其电学及光学性质进行表征。结果显示：LEDs中引入适当浓度的Ag NPs有利于Ag NPs局域表面等离子体激元与ZnO激子相耦合，可以显著提高器件的电致发光性能；随着Ag NPs浓度的增加，LEDs发光增强倍数先增大后减小，分析认为这是Ag NPs局域表面等离子体共振耦合增强过程和Ag NPs的消光过程两者之间相互博弈而导致的结果。

利用分子束外延设备(MBE)制备了MgZnO薄膜。X射线衍射谱、紫外-可见透射光谱和X射线能谱表明薄膜具有单一六角相结构, 吸收边为340 nm, Zn/Mg组分比为62∶38。采用掩膜方法使用离子溅射设备, 在MgZnO薄膜上制备了Au电极, 并实现了Au-MgZnO-Au结构的紫外探测器。通过改变溅射时间, 得到具有不同Au电极厚度的MgZnO紫外探测器。研究结果表明: 随着Au电极厚度的增加, 导电性先缓慢增加, 再迅速增加, 最后缓慢增加并趋于饱和; 而Au电极的透光率则随厚度的增加呈线性下降。此外, 随着Au电极厚度的增加, 器件光响应度先逐渐增大, 在Au电极厚度为28 nm时达到峰值, 之后逐渐减小。

在超过相变临界厚度的立方相Mg0.29Zn0.71O薄膜上制备了Au插指电极MSM结构探测器件, 30 V偏压下的峰值响应度可达27.9 A/W(268 nm), 对应的外量子效率为12900%。分析认为原位生长在立方相MgZnO薄膜上的极薄的结构相变层引入了高密度的界面态, 在立方相薄膜表面电极接触中起到了降低势垒、减小耗尽层宽度、增强电极注入电子的能力的作用, 使得器件形成高的光导增益。

为了实现MgZnO合金带隙全跨度调制, 利用低压MOCVD设备, 在c面蓝宝石衬底上采用MgO籽晶层和组分渐变缓冲层控制立方相MgxZn1-xO薄膜的生长, 获得了Zn组分达到0.7的单一立方相MgxZn1-xO薄膜, 把MgZnO合金带隙调制范围从MgO一侧扩展到了4.45 eV, 覆盖了整个日盲紫外波段。对比实验分析表明, 这种高Zn组分立方相MgZnO薄膜的生长得益于缓冲层晶格模板的结构诱导作用和适宜的生长温度(350~400 ℃)。 Mg0.3Zn0.7O基MSM结构紫外探测器响应峰位于270 nm, 截止波长295 nm。

利用分子束外延设备在蓝宝石衬底上生长了B/N共掺的p型ZnO薄膜, 对比了B/N共掺和N单掺杂样品的物理学性能。通过X射线光电子能谱测试证明了在薄膜中存在有B和B—N键。B/N共掺样品的空穴浓度比单一N掺杂样品高近两个量级。且ZnO∶(B,N)薄膜在两年多的时间内一直显示稳定的p型电导。这是由于B—N键的存在提高了N在ZnO薄膜中的固溶度,且B—N键之间强的键能和B占据Zn位所表现的弱施主特性不会带来强的施主补偿效应, 说明B是N掺杂ZnO薄膜的一种良好的共掺元素。

由于在日盲紫外探测方面的应用前景, 具有合适带隙的MgZnO合金半导体薄膜受到越来越多的关注。获得具有择优取向的单一相MgZnO对提升MgZnO基日盲紫外探测器性能至关重要。本文利用低压金属有机化学气相沉积(LP-MOCVD)方法在m面蓝宝石衬底上制备了一系列不同组分的MgxZn1-xO薄膜。光学和结构特性测试结果表明: Zn摩尔分数达到55%的Mg0.45Zn0.55O薄膜依然是单一立方相, 其光学带隙可以达到4.7 eV。立方岩盐结构MgZnO与m面蓝宝石衬底的外延结构关系为(110)MgZnO‖(1010)sapphire、［001］MgZnO‖［1210］sapphire和［110］MgZnO‖［0001］sapphire。唯一确定的面内取向有利于薄膜晶体质量的提高。基于(110)取向立方相Mg0.45Zn0.55O薄膜制备金属-半导体-金属(MSM)结构器件, 获得了光响应峰在260 nm、光响应截止波长278 nm的日盲紫外探测器。

使用分子束外延方法在c面蓝宝石衬底上生长了系列氮掺杂ZnO薄膜样品。在连续的富锌气氛环境中生长的样品, 由于存在大量的施主缺陷, 呈现n型电导。为了抑制施主缺陷带来的补偿效应, 在生长过程中, 通过周期性补充氧气, 形成周期性的富氧气氛, 缓解了氮掺杂浓度和施主缺陷浓度之间的矛盾。光致发光测量表明, 通过交替生长气氛, 氧空位和锌间隙等缺陷在薄膜中得到了显著抑制。通过交替生长气氛生长的外延薄膜的结晶质量也有所提高。样品显示出重复性较高的p型电导, 载流子浓度可达到1016 cm-3。周期性补氧调节生长气氛的生长方式是一种有效实现p型掺杂ZnO的方法。

在较低温度下实现平整ZnO薄膜的生长有利于ZnO的可控p型掺杂以及获得陡峭异质界面。本文使用分子束外延方法, 采用a面蓝宝石为衬底, 在450 ℃下生长了一系列ZnO薄膜样品。在富氧生长的条件下, 固定氧流量不变, 通过调节锌源温度来改变锌束流, 以此调控生长速率。样品的生长速率为40~100 nm/h。通过扫描电镜 (SEM) 表征发现: 在高锌束流的生长条件下, 样品表面有很多不规则的颗粒; 降低锌的供应量后, 样品表面逐渐平整。原子力显微镜(AFM)测试结果表明: 样品的均方根表面粗糙度(RMS)只有0.238 nm, 接近于原子级平整度。这种平整表面的获得得益于较低的生长速率, 以及ZnO外延薄膜与a面蓝宝石衬底之间小的晶格失配。

ZnO薄膜中的高的背景电子浓度能够对p型掺杂形成补偿, 从而对p型掺杂造成障碍, 了解高背景电子浓度的来源有助于对p型掺杂的研究。本文采用分子束外延技术在不同真空度下在a面蓝宝石衬底上生长了一系列氧化锌薄膜, 发现在低真空度下生长的样品的载流子浓度较高, 为1019 cm-3量级; 而高真空度下生长的样品, 其载流子浓度比低真空生长的样品显著降低, 降低了3个数量级。在相同条件下生长的样品, 通过不同的后处理手段进行处理后, 其电子浓度未发生明显变化, 说明氧空位等本征缺陷不是ZnO薄膜中电子的主要来源, 高背景电子浓度应该与生长过程中非故意引入的杂质相关。通过低温光致发光表征, 发现低真空度下生长的样品在低温下3.366 eV处有强的施主束缚激子发光峰, 而高真空度下生长的样品的此发光峰显著变弱。由此, 高电子浓度被归结为与生长过程中非故意引入的氢杂质相关。