作为一种宽禁带氧化物半导体材料，纤锌矿相MgZnO三元合金材料具有优良的光电性能和与ZnO相匹配的晶体结构，在低阈值室温激光器、高效率发光二极管、MgZnO/ZnO异质结构器件和日盲紫外探测器等方面有着广阔的应用前景。平衡条件下，纤锌矿相MgZnO合金材料中MgO的固溶率只有4％，其含量略有增加材料就会发生相分离(立方相结构和六角相结构共存的情况)，导致Mg组分乃至材料带隙无法进一步得到提高。分子束外延(Molecular Beam Epitaxy)是一种典型的非平衡生长技术，具有超高真空背景环境下薄膜生长可控的优点，尤其适合制备组分精确可控的高质量MgZnO合金薄膜。本论文利用超高真空射频等离子体辅助分子束外延方法，在Si(111)、蓝宝石(0002)等不同衬底上开发出了独特的表面/界面控制工艺，结合具有自主产权的金属源束流精确原位控制和准同质外延模板技术，系统研究了ZnO能带工程--MgZnO合金薄膜的MBE生长动力学过程及低温富氧生长条件在抑制相分离现象中的重要作用，成功研制出MgxZn1-xO(0≤x≤0.55)系列单晶薄膜材料，并在材料性能获得重大突破的基础上(目前国际报道的最高值，进入到具有重要应用价值的日盲区)，系统研究了MgZnO薄膜的基本光学性质，并成功研制了性能优越的日盲紫外探测器原型器件。　　 我们发现，在氧化物多元合金薄膜(尤其是MgZnO)的分子束外延生长过程中，活泼金属极易氧化，因而导致其束流变化较大、很难保证精确可控的重复性生长，这给薄膜组分、晶体结构、光电性能的精确控制带来了极大的困扰，阻碍了研究工作的进一步开展。基于上述困难，我们从实时监测金属束流这一角度出发，对金属束流的稳定性进行了研究，提出了一种氧环境下活泼金属束流精确控制的方法，从而实现了合金薄膜的稳定可控生长。在ZnO单晶模板上，我们研究了不同衬底生长温度和生长速率对纤锌矿相MgZnO薄膜的极限Mg组分和薄膜质量的影响，实现了Mg组分从0到40%的连续可控生长，最高带隙可达到4.2eV(295nm)。　　 通过对氧化物(MgO和ZnO)晶体结构的深入研究，我们进一步提出了用“准同质外延MgZnO”模板代替ZnO模板进行高Mg组分MgZnO合金薄膜外延生长的独特理念，经过实验验证，我们最终实现了最高Mg组分达到55%的亚稳态纤锌矿相MgZnO单晶薄膜的制备，经测试其带隙为4.55eV(272nm)，完全进入日盲区紫外波段，为目前国际上报道的最高值。在此基础上，我们利用微纳加工手段成功制造了日盲紫外探测器原型单元器件，该器件具有非常优越的探测性能：陡峭的日盲光响应截止边、较高的光谱响应比和较快的响应时间。此外，我们还利用光学和结构表征(XRD和TEM等)手段对高Mg组分MgZnO薄膜的基本光学参数、薄膜的生长和缺陷弛豫机理进行了详细的研究。　　 纤锌矿相MgZnO合金薄膜具有较好的光学性能。随着合金Mg组分的提高，MgZnO合金薄膜的组分波动会更加明显，从而极大影响了单晶薄膜的光学性能。通过低温和变温光致发光和光激发谱，我们研究了高Mg组分纤锌矿相MgZnO合金薄膜的斯托克斯位移(Mg0.55Zn0.45O的斯托克斯位移高达365meV)和变温激子发光峰的反常移动现象。随着Mg组分的不断增加，斯托克斯位移逐渐增大，表明MgZnO合金薄膜中的组分波动逐渐加剧；而“S型”峰位移动则揭示了纤锌矿相MgZnO合金材料体系中激子在局域化势场中的热动力学过程，激子局域化效应将增强高Mg组分MgZnO合金薄膜的发光性能。