第三代半导体材料ZnO禁带宽度为3.37eV，激子束缚能高达60meV，是制备激子发光器件的理想候选。但由于ZnO材料难于实现稳定p型，其进一步的发展受到制约。p型掺杂的难点不仅包括受主原子有效掺杂效率很低、自补偿严重，而且也包括ZnO的本征n型缺陷密度居高不下。虽然近年来通过不同掺杂策略得到p型薄膜的报道屡见不鲜，但在器件道路上更进一步的却寥寥无几。在艰难面前，人们不仅要优化制备工艺，也应关注ZnO材料本身存留的物理问题。　　分子束外延(MBE)设备的特性使生长主要依赖于外来原子与表面原子之间的相互作用，因而常远离热力学平衡状态。其生长特点可使那些在热力学平衡下不易掺入的杂质通过非平衡的方式掺入薄膜。原位扫描隧道显微镜（in-situ STM）可获得高分辨的形貌表征，当掺杂剂以非平衡方式掺入薄膜，引起的形貌变化可反映生长细节和掺杂路径。因此MBE-STM联合系统在研究ZnO外延和掺杂动力学上具有得天独厚的优势。　　本论文以探究极性ZnO的外延和掺杂动力学为出发点，主要从三个方面展开论述:　　1.在O面同质衬底上生长本征ZnO薄膜，研究表面形貌随生长条件的演变，并推导其外延规律。研究发现，初期成核时，O面的生长需要富Zn和高温条件以获得平整表面。在随后的生长过程中，富O条件使生长趋于热力学平衡状态，从而形成了具有清晰原子台阶结构的稳定表面。仔细分析此稳定表面可知，双层Zn-O层高度的台阶有序排列形成{10(14)}临位面，且此邻位面通过台阶交织形成规则六角坑。通过第一性原理计算可知双层台阶的形成原因:B类台阶比A类台阶流动速度更快且热稳定性更高。B类台阶在上、A类台阶在下的双层台阶具备反常Schwoebel效应(ISE)，更易俘获来自台阶上层的扩散原子，引发台阶聚并(Step bunching)，并形成{10(14)}临位面。这是由于聚并台阶的斜率受到表面自由能的调控，综合考虑台阶间相互作用和极性的影响，表面自由能会在{10(14)}处出现极小值。　　2.在Zn面同质衬底上外延ZnO本征薄膜，研究和推导Zn面的外延规律并比较其与O面的不同。研究发现，与O面相比，初期成核时Zn面生长需富O和中温条件。在随后的生长中富O条件亦可使Zn面上获得清晰的原子台阶结构。在Zn面上，较不稳定的A类台阶流动速度更快，从而无法稳定地覆盖在B类台阶上形成双层台阶。这使Zn面上大部分台阶为单层，导致坑斜面上的台阶为不规则的锯齿状。这类台阶不具备ISE，使斜面上的质量输运受到限制，从而导致斜面的斜率不均匀，且坑的尺寸也随生长不断增大。由于斜面上不存在规则台阶阵列，因而坑的斜率只受到极性的影响。在Zn面上通过降低生长温度可观测到台阶与二维晶胚共存，退火实验显示岛的扩散和Ripening过程，表明在Zn面上的台阶生长是二维成核参与的台阶流动生长模式。　　3.以{10(14)}组成的O面稳定结构为模板进行掺N实验，并研究N的掺杂路径。研究发现，N掺入后台阶流动生长仍能保持，但台阶高度变为单层，边缘变弯，表明台阶流动的各向异性消失，结合第一性原理计算指出这些变化归结于N原子对台阶边缘原子的影响。扫描隧道谱(STS)结果显示N掺杂引入明显的受主峰。通过计算不同N替位缺陷的形成能得出N易于代替台阶边缘的Zn原子，形成易于解吸附的Nedge-Zn。在高温和活性等离子体辐射的作用下，Nedge-Zn将以NO2形式解吸附，并促进NO-VZn浅受主缺陷的形成。以此为出发点，我们提出一种实现有效N掺杂同时保证高晶体质量的外延生长办法:使用高台阶边缘密度的{10(14)}半极性邻位面作为衬底基面。因为{10(14)}源于台阶流动生长，以此为衬底有望实现低残存n型密度和高平整度的高质量薄膜;而且它能提供高的台阶边缘密度来进行N的有效掺杂。