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ZnO是目前国际宽禁带半导体研究的热点材料之一，由于它具有非常大的激子束缚能(60meV)，在紫外发光二极管和激光二极管等光电子领域有着非常广阔的应用前景。然而，要实现高效率的ZnO发光器件，必须首先获得稳定的高质量的ZnO单晶薄膜和实现ZnO稳定的p型掺杂。近年来，尽管国内外ZnO单晶薄膜的制备取得了重要的进展，ZnO在室温下的光致发光、电致发光以及光泵浦紫外受激发射已有报道，但是ZnO器件离实用化还有很长一段路要走。在这种背景下，本论文开展了使用金属有机化学气相沉积技术在GaAs衬底上制备ZnO薄膜的研究。研究GaAs上的ZnO外延生长的意义在于，目前ZnO薄膜外延生长研究所大量使用的蓝宝石衬底是不导电的，限制了其在光电器件集成领域的应用，而GaAs是导电材料，这有利于ZnO基器件与其他光电器件的结合。另外，GaAs中的As原素可以做为p型受主杂质进入到ZnO薄膜中，这一研究对于ZnO的p型掺杂也很有意义。
本论文使用一台自制的金属有机化学气相沉积系统，在GaAs(001)衬底上制备了ZnO薄膜。通过大量的生长实验，对在GaAs衬底上生长ZnO薄膜的实验条件进行了系统的研究分析，得到了优化的实验条件。综合应用了X射线衍射(XRD)、原子力显微镜(AFM)、扫描电镜(SEM)、光致发光谱(PL)等多种测试方法对所生长的材料的物理性质进行了表征。着重研究了生长温度对ZnO薄膜的生长模式，表面形貌，结晶质量，以及发光特性的影响。取得的成果如下：
1、在GaAs衬底上进行了ZnO的低温(100℃-300℃)MOCVD生长研究，对生长温度、Ⅱ/Ⅵ比、生长厚度等参数进行了优化。在优化条件下，300℃时生长得到的ZnO薄膜，其XRD2θ-ω扫描(002)衍射峰的FWHM值为0.44°，ω摇摆曲线FWHM值为1.04°。对于在低温下生长的所有ZnO薄膜在3.33ev附近均观察到了室温紫外发光峰。
2、进一步研究了ZnO在GaAs衬底上的高温(400℃-550℃)MOCVD生长，并对高温下生长的薄膜的生长特性、晶体质量以及光学特性进行了研究分析。实验结果表明ZnO薄膜的结晶特性及光电特性随着生长温度的升高有变好的趋势，但是同时薄膜表面粗糙度变大。550℃下生长的ZnO薄膜，XRD2θ-ω扫描(002)面衍射峰FHWM值为0.176°，ω摇摆曲线FWHM值为0.14°。在低温下(10K)观察到了束缚激子发光峰及其声子伴线。
3、研究了衬底温度对ZnO薄膜的生长模式的影响，发现在150℃-300℃低衬底温度下，GaAs衬底上生长的ZnO薄膜遵循先层状，后岛状的S-K模式。300℃-500℃的温度范围内，ZnO薄膜呈现2D层状生长模式，当生长温度达到500℃时，可以观察到薄膜表面呈六角状结晶，并且出现横向的二维合并。但是当生长温度大于550℃后，薄膜又开始表现出明显的一维生长模式。可见，要想在GaAs衬底上得到二维平面生长的ZnO薄膜，其生长温度应该控制在500℃左右。
4、研究了ZnO薄膜的自组织生长现象以及其对ZnO薄膜外延生长的影响。发现ZnO由于沿c方向具有很强的极性，从而使ZnO的外延生长具有很强的c轴择优生长取向，不过ZnO薄膜的这种沿(002)方向的择优生长取向在温度为400℃左右时会消失，但是当温度大于550℃时，薄膜的(002)取向性又变得非常好，表现出一维的生长模式。