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锗(Ge)是间接带隙半导体，在一定的改性作用条件下，如应力作用、合金化作用等，其可转变为直接带隙半导体。直接带隙改性 Ge半导体载流子辐射复合效率高，应用于光电子器件，可有效提高器件的发光效率；直接带隙改性Ge半导体载流子迁移率高，还可应用于高速半导体器件，增强电路功能、速度等关键性能。因此，直接带隙改性Ge半导体具有实现单片光电集成的潜在应用优势，开展有关直接带隙改性Ge半导体的相关研究，已成为领域内研究的热点和重点。 本研究主要内容包括：⑴基于应变张量与形变势理论，建立了Ge半导体带隙类型转化的物理模型。结果表明：当对Ge材料施加约2.4GPa的(001)双轴张应力时，其带隙类型可由间接型转变为直接带隙类型；单轴应力与双轴应力共同作用下，各需1.7GPa应力即可实现直接带隙Ge半导体；当Ge半导体中固溶约8％左右Sn时，Ge1-xSnx合金可转变为直接带隙类型半导体；应力与合金化共同作用时，可在低合金组分、低应力强度下实现Ge带隙类型转变。⑵该理论成果揭示了Ge由间接带隙半导体转变为直接带隙半导体的规律，可为如何实现直接带隙改性Ge半导体提供重要的理论依据。⑶依据双轴张应力致Ge带隙类型转化原理，提出了一种与Si工艺兼容的直接带隙Ge实现方法----四周刻蚀Si衬底上Ge外延层，通过选择性生长Si1-xGex引入双轴张应力。针对该直接带隙 Ge实现方法，建立了选择生长 Si1-xGex区域致 Si衬底上Ge外延层的有限元应力模型。结果表明：当Si1-xGex外延层宽度取150~250nm、Ge组分为0.3~0.5时，20~40nm宽Ge区域距表面约0~6nm的深度内实现直接带隙Ge。⑷基于该理论成果所获得的Si1-xGex选择生长区域材料物理和几何结构参数，可为后续相关工艺的实现提供重要的理论依据。⑸依据合金化致Ge带隙类型转化原理，采用磁控溅射工艺，开展了Si衬底上直接外延制备高Sn组分Ge1-xSnx合金——直接带隙改性Ge的实验工作，提出了优化的工艺实现方案。结果表明：衬底温度150°C、Sn靶材溅射功率8W生长Ge1-xSnx合金，后续退火温度为300°C的工艺条件下，所制备 Ge1-xSnx合金结晶质量良好，Sn组分约为18.86%，RMS值约为20.4nm。同时，采用RPCVD工艺，在Si衬底上制备了直接带隙Ge1-xSnx合金用Ge缓冲层。结果表明：Ge/Si缓冲层结晶质量高，位错密度低，有利于后续高质量直接带隙Ge1-xSnx合金的制备。