氧化锌(ZnO)是一种II-VI族直接带隙半导体,室温下具有3.37eV的宽禁带和60meV的高激子束缚能,同时具备热稳定性好、价格低廉、原料易得和环境友好等特点,被认为是实现室温下短波长高效激子发光和低阈值半导体激光器的理想材料。然而,受制于ZnO材料的本征缺陷和自补偿效应,实现稳定可靠的ZnO p型导电仍然是目前公认的难题,制约了ZnO在发光器件领域的应用。于是,采用其他p型导电材料与ZnO复合形成异质结电致发光器件成为解决这一问题的首选方案。目前,ZnO基异质结发光器件普遍存在发光效率偏低、稳定性较差等问题,其电致发光机理和自由激射机制等科学问题仍不明确。本论文以ZnO材料研究为基础,设计并制备了ZnO基单异质结(Single Heterojunction)、双异质结(Double Heterojunction)和多量子阱(Multiple Quantum Well, MQW)等结构的发光二极管(Light-emitting Diode, LED)和激光二极管(Laser Diode,LD),提出了提高器件发光性能和稳定性的方案,系统研究了ZnO基电致发光器件的发光机理。首先,采用与ZnO物理性质相近的GaN作为衬底和电子注入层,通过射频磁控溅射系统制备n-ZnO和p-NiO薄膜形成n-ZnO/p-NiO单异质结发光二极管。在ZnO/NiO之间引入i-ZnMgO电子阻挡层,将电子限制于ZnO/ZnMgO界面,使得电子-空穴对主要在ZnO中进行复合,从而让ZnO材料宽禁带和高激子束缚能的优势得以充分发挥,器件370nm左右的紫外电致发光性能得到明显提升,并且观察到了自由激射现象。为获得更加优异的发光性能,进一步改进器件结构,设计了基于MgZnO/ZnO/MgZnO双异质结结构的发光二极管。相对于常规p-GaN/i-ZnO/n-ZnO pin结构发光器件,引入了双异质结结构的p-GaN/MgZnO/i-ZnO/MgZnO/n-ZnO发光二极管发光强度得到了增强,但仍为深能级可见发光。将i-ZnO替换为结晶质量更为优异的ZnO纳米杆,有效改善了层间应力释放问题,减少了有源层中的缺陷,同时利用纳米杆中光波导效应,使得器件发光性能得到大幅提升,获得了370nm和380nm左右的双峰紫外电致发光。在8小时持续工作后,该器件发光强度衰减低于3%。在上述结构中,因MgZnO与nZnO界面依然存在过大的导带带阶,对n-ZnO向i-ZnO的电子注入产生了不利影响。为解决这一问题,设计了一种改进型的非对称双异质结结构Ta2O5ZnO/HfO2,并在此基础上制备了发光二极管器件,同时对比研究了电子阻挡层和空穴阻挡层对器件发光性能的影响。实验结果显示Ta2O5/ZnO/HfO2非对称双异质结结构发光二极管能更有效的将载流子限制于　i-ZnO有源层中,同时抑制GaN的发光。稳定性测试表明器件在光衰为30%时的寿命为160小时,在已报道的ZnO基发光二极管中处于较高水平。受已经商业化GaN基发光二极管结构的启发,为进一步获得高效ZnO发光,引入多量子阱结构到ZnO基发光二极管中,获得了纯净的紫外自由激射发光,系统研究了其微形貌和发光特性与机理。以p-NiO和n-GaN分别作为空穴和电子注入层,设计并制备了基于ZnO/MgZnO多量子阱结构的发光二极管。透射电镜照片显示量子阱界面良好。电致发光光谱显示该器件获得了阂值电流密度低至4.7A/cm2的370nm左右的电致紫外自由激射发光。该结果的获得与多量子阱结构的量子限域效应有关。自由激射的产生源自于光在有源层晶粒边界处散射形成的闭合回路,当光增益大于损耗时,产生了激射现象,而这种回路是随机的,因而产生的激射也是随机的。本论文的研究为ZnO基发光器件的发展提供了创新思路、实验经验和科学参考。期待ZnO基发光器件在不远的未来实现应用、走向市场。