ZnO作为Ⅱ-Ⅵ族化合物第三代半导体材料，它具有宽的直接带隙(3.37 eV,300 K)，大的激子束缚能(60 meV)，高的熔点(2248 K)，高的抗辐射性能，高的可见光透明度，高的压电系数。同时它具有无毒，原材料成本低，生长方法简单，体单晶较容易获得，可湿法刻蚀等特点。这些优异的特性，使其在发光二极管，室温紫外激光器，透明薄膜晶体管等光电子器件领域有着广泛的应用前景。然而，一个优异的半导体材料，要想真正地被实现其潜在的应用价值，还需要成熟的材料制备技术。其中高质量的单晶外延薄膜的生长是ZnO基器件应用的关键基础。　　理论上，ZnO薄膜的同质外延相较于异质外延具有基础性优势，在高质量ZnO单晶衬底上同质外延ZnO薄膜，将大大提高薄膜的晶体质量、降低缺陷浓度、改善电学性能，这将有利于ZnO基光电子器件的发展和应用。然而，目前由于受到可提供的ZnO单晶衬底的较小尺寸和较高价格的限制，ZnO薄膜同质外延生长及掺杂工作并未得到系统地和广泛地研究。当前所报道的零散的技术探索和不一致的实验规律显示ZnO同质外延仍存在较大的技术困难。高质量ZnO薄膜的同质外延生长、掺杂的基础研究以及同质外延薄膜在光电子器件领域的应用依然有待探索。本课题组自有的高质量ZnO单晶、针对ZnO薄膜生长设计搭建的MOCVD系统、以及其他ZnO材料的制备设备等，都为本论文工作中ZnO薄膜同质外延生长、物性及器件应用等研究提供了非常重要的基础。本论文工作的主要内容创新之处如下:　　1) ZnO薄膜MOCVD异质外延和同质外延生长:通过开展ZnO的MOCVD的异质外延，摸索了ZnO薄膜的生长参数，了解了各参数对ZnO薄膜结构和性能的影响。鉴于单晶表面形貌对于ZnO薄膜同质外延的重要性，开展了单晶表面的处理研究，发展出了ZnO单晶表面、和Ga掺杂ZnO单晶表面的退火处理工艺，获得具有原子级台阶形貌、适合外延生长的晶体表面。在其基础上，进行了同质外延生长，研究了不同表面形貌的单晶面对于ZnO外延生长的影响，获得了以二维层状模式生长的表面平整光滑的ZnO薄膜。　　2) MgxZn1-xO薄膜MOCVD同质外延中Mg掺杂效率的研究:通过调节同质外延生长参数，研究了MgxZn1-xO薄膜生长过程中各个生长参数对Mg掺杂效率的影响。结果表明，在一定范围内，随着生长温度的提高，Ⅵ/Ⅱ比的增大，反应室压力的提高，Mg含量逐渐增加。在此基础上研究了Mg-N共掺MgxZn1-xO薄膜相对于N掺ZnO薄膜中N含量的变化，通过拉曼光谱等定性表征，发现Mg-N共掺提高了薄膜中的N含量，并且有利于N在ZnO中的稳定性。该工作对于ZnO薄膜的p型掺杂研究有重要指导意义。　　3) Al掺杂对MOCVD同质外延ZnO生长机制的影响:Al掺杂作为ZnO最重要的n型掺杂方式，其薄膜质量对ZnO器件应用具有重要实际意义。本工作研究了Al的掺入对ZnO同质外延薄膜生长机制的影响。实验中，设计了不同的Al掺杂浓度对于ZnO薄膜表面形貌影响，结合XPS、接触角测试等分析手段研究发现，Al的掺入将充当一种表面抑制剂的作用，使得ZnO由2D生长转向3D柱状生长。　　4)两步法生长高性能AZO过程的光学性质及电子结构变化研究:两步法生长AZO薄膜是指首先在富氧氛围下生长含大量Zn空位的AZO薄膜，然后在Zn气氛退火将Zn原子填入这些Zn空位中。本工作研究了两步法生长过程中，重掺Al的ZnO薄膜的光学性质及电子结构的变化。研究表明，第一步之后，形成高阻的AZO薄膜与非掺杂的ZnO薄膜光学带隙相同，这意味着尽管Al原子掺杂进入ZnO晶格，AZO薄膜的基本带隙却没有发生变化。第二步之后，一旦自由电子通过Zn原子填入晶格，由于带填充效应导致光跃迁能量蓝移。 X射线吸收精细结构测试，O2p态数目减少，减少了导带的未占据态。OK边XANES谱的带边位置没有发生变化，表明Zn填充并没有提高ZnO导带底的能级位置。　　5) GZO单晶同质生长ZnO纳米线在DSSCs的应用:上述工作着重于理解晶格匹配对ZnO材料生长的重要性。本章重点研究将单晶衬底的优势延伸，探索将晶格匹配应用于解决ZnO基DSSCs的难题-界面问题。当前尽管ZnO材料已被广泛应用到DSSCs领域，然而ZnO基DSSCs的效率一直未能有突破性的提高。作者认为其中的重要原因是光阳极材料的设计。传统DSSCs中ZnO纳米材料（如NWs等）几乎都是生长在FTO(ITO，AZO，GZO)等导电衬底上，由于ZnO纳米线和衬底晶格失配、热失配等原因导致纳米线晶格质量下降，且衬底和纳米线的界面存在大量晶界、缺陷。这些很可能是当前ZnO基DSSCs效率没有明显提高的重要原因。本章工作中设计使用晶格匹配单晶衬底（高导GZO单晶）替代传统的导电玻璃FTO异质衬底，利用CVD法同质生长ZnO纳米阵列，既有利于生长高质量的ZnO纳米线阵列，还能获得纳米材料和集电极的同质界面，本征性地减少电子从纳米材料向集电极注入过程中的界面散射和缺陷复合问题，提高光电转化效率。