III族氮化物材料凭借其优良的光电学特性已经在发光二极管(LEDs)、激光器(LDs)、微波功率器及单片微波集成电路等领域中得到了广泛应用。目前,Ga极性GaN材料的制备工艺已经很成熟、晶体质量也可以满足一般器件需要,商业化的LEDs或LDs通常都是基于Ga极性GaN模板制备的。但和Ga极GaN基LED相比,N极性GaN基LED的量子阱具有更低的空穴注入势垒、更好的电子限制能力以及更高的In并入效率等优点,因此,N极性GaN材料在LEDs领域中有着更明显的优势。然而,目前制备的N极性GaN薄膜往往背景载流子浓度较高,表面形貌也十分粗糙,这极大地限制了N极性GaN基光电子器件的发展和应用。此外,ZnO作为一种新型宽带隙半导体材料,其相比于GaN具有更高的激子束缚能和光增益,因此其在LEDs和LDs领域有着更为明显的优势。目前,高性能ZnO基光电器件的开发与应用也一直是科学界关注的热点课题。基于目前第三代半导体材料中的热点问题,本论文从提高材料外延质量、增强器件可靠性角度出发,在高质量N极性GaN薄膜与多维度及不同极性ZnO材料的可控生长以及高性能ZnO-GaN组合异质结发光器研究方面开展了一系列的研究工作,具体内容如下:1.我们基于金属有机物化学气相沉积(MOCVD)技术开展了高质量N极性GaN薄膜的可控生长研究工作。着重考察了N极性GaN薄膜的成核层厚度、生长温度及V/III比对其表面形貌、晶体质量、应变状态及光电特性的影响。通过优化生长参量,我们制备了具有原子级平滑表面的N极性GaN薄膜,其)0002(晶面摇摆曲线半峰宽(FWHM)仅为~40arcsec。2.我们以高质量N极性GaN薄膜为模板,进一步实现了N极性GaN薄膜的p型掺杂。着重分析了生长温度及二茂镁(Cp2Mg)流量对N极性GaN薄膜光电特性的影响。其中在生长温度为1000℃、Cp2Mg流量为600nmol/min时制备的N极性GaN薄膜的空穴浓度可达~3.0×1017cm-3。随后我们进一步探究了Mg掺杂对N极性GaN薄膜应变状态及化学腐蚀特性的影响。研究表明:随着Mg掺杂量的增加,KOH溶液对N极性GaN薄膜的腐蚀速率显著降低。针对这一现象,我们从热力学和动力学角度分析了Mg掺杂对N极性GaN薄膜化学腐蚀特性的影响机制,并提出了Mg掺杂N极性GaN的湿法腐蚀模型。3.我们基于MOCVD技术开展了多维度及不同极性ZnO材料的生长研究工作。由于本课题组在之前的工作中已经对Zn极性ZnO材料的制备工艺做了详细研究,因此我们将本章的研究重点集中在了N极性GaN模板上生长O极性ZnO材料。着重考察了生长温度、O2流量及生长压力对材料形貌结构、结晶质量和光学特性的影响。随后利用Ar+研磨技术显著提升了一维O极性ZnO纳米棒的光学质量。利用图形化的N极性GaN衬底成功制备了高质量二维O极性ZnO纳米墙材料,其)0002(晶面摇摆曲线FWHM仅为~208arcsec。4.我们深入研究了界面极化效应对ZnO-GaN组合异质结光电特性的影响。(1)制备了Zn极性n-ZnO薄膜/Ga极性p-GaN异质结LED。研究表明,异质结界面极化效应可以导致p-n结的耗尽区变窄,进而使器件实现在正/反向驱动电压下的紫外/绿光双色发光;(2)制备了O极性n-ZnO薄膜/N极性p-GaN异质结LED。研究表明,界面极化效应可以在异质结的ZnO一侧产生极化诱导反型层,使得耗尽区位置完全移动到ZnO内部,从而提高了载流子在ZnO层中的复合效率。该器件在正向偏压下表现为位于~385nm的紫外发射。随着工作电压的增大,其EL谱的FWHM从48nm逐渐减小到24nm,表现出较好的单色性;(3)构建了O极性n-ZnO纳米墙/N极性梯度p-AlxGa1-xN异质结LED。研究表明,界面极化效应会在异质界面产生二维空穴气,进而显著提高空穴注入效率。5.为了提高ZnO基异质结LEDs的发光效率和工作稳定性,我们从优化异质结界面质量出发,开展了ZnO-GaN组合接触型异质结发光器件的研制工作:(1)制备了n-GaN/i-ZnO薄膜/p-GaN接触型异质结LED。该器件具有较高的紫外发光效率和工作稳定性。经过10h的连续工作其光输出功率仅衰减4.57%;(2)制备了n-GaN/i-ZnO纳米笔/p-GaN接触型异质结LED。利用ZnO纳米笔尖端较强的量子限制效应提高了载流子在ZnO的辐射复合效率,器件在超低注入电流(~1.2μA)下即可实现较强的紫外发射;(3)制备了n-ZnO薄膜/p-hBN/p-GaN接触型异质结LED。在正向偏压下,该器件表现为较纯的ZnO近带边发射,其EL谱的FWHM仅为~12nm。