随着集成电路技术的不断发展,集成电路运行速度、功耗水平等性能参数的优化受材料本身物理极限以及工艺水平的制约严重。光电集成技术以光子作为信息载体,因其具有信息容量大、易于集成等优点,成为延续和替代集成电路发展的备选方案之一,具有巨大的应用潜力与发展空间。其中,Si基半导体工艺经过数十年的发展,已经非常成熟,Si基光电子器件及芯片的研制正在成为当下科研人员攻克的重点。且部分Si基光电子器件已经得到了较为广泛的开发和应用。然而,Si材料本身具有的间接带隙能带特性,严重限制了Si基发光器件的发光特性。因此,亟需寻找具有直接带隙和良好电学特性的新材料,以满足光电集成技术应用的要求,并推动光电集成技术的发展。Ge作为Ⅳ族半导体材料,具有与Si材料相兼容的天然优势。Si基Ge异质外延材料具有能带可调、高电导等优异特性,且与目前成熟的Si基材料微电子制备工艺相兼容,被认为是最具光电集成应用潜力的主要材料之一。但目前在其高性能材料制备与器件研究方面仍存在大量基础问题亟待解决。本文在上述研究背景下,面向光电集成技术的发展需求,开展相关研究工作,旨在通过研究制备高性能Si基Ge应变材料,并在此基础上研究其光电器件的制备方法,实现高性能光电器件,为光电集成技术的发展做出贡献。本文主要研究内容及结果如下:1、采用减压化学气相淀积材料外延系统在Si（100）衬底上外延生长了具有Si缓冲层、低温-高温Ge过渡层的Si基外延Ge层结构。通过原子力显微镜、拉曼光谱仪、X射线衍射仪等测试手段对材料特性进行表征,外延Ge层表面光滑、且具有0.25%张应力。通过X射线衍射摇摆曲线以及化学腐蚀坑法计算得到Ge外延层的平均位错密度为1.5×108cm-2,靠近表面处的位错密度逐渐降低为5×106cm-2。本研究采用的高温Si缓冲层及低温-高温两步生长法有效抑制了外延层缺陷的产生,实现了缺陷密度达到国际先进水平的Ge外延层的制备。2、基于制备的高质量Ge/Si材料,采用原位掺杂与离子注入的方式形成p型掺杂层,通过在材料上下表面淀积金属形成欧姆接触,制备了PIN型Si基Ge外延层近红外边发射发光二极管。再经过压焊封装与测试后,成功测得了PIN二极管的电致发光谱。实现了基于Si衬底的Ge外延层直接带隙发光。3、采用磁控溅射生长设备,基于室温-低温两步法在Si衬底上成功制备高质量的低Sn组分GeSn外延层。研究了不同生长温度对GeSn外延层特性的影响。能量色散X射线光谱仪与X射线光电子能谱测试结果表明不同温度下的Sn含量均为0.5%左右,该研究为后续高Sn组分GeSn的制备奠定了基础。4、进一步地,采用磁控溅射生长方法在Ge衬底上制备了高质量、高Sn组分的GeSn合金,测试结果显示Sn组分达到了7%。AFM测试得到GeSn合金的表面粗糙度为0.8nm,合金表面平整。通过X射线衍射摇摆曲线测试计算得到的位错密度大约为1.9×109cm-2,GeSn层弛豫度为50%。该缺陷密度达到了国际上报道的相关结果的同等水平。在此基础上制备基于高Sn组分的GeSn合金二极管,并验证了二极管的电流-电压特性。5、创新性地利用离子注入-退火的方法成功制备了GePb合金薄膜。透射电子显微镜测试显示,在4×1015cm-2的注入剂量及400°C的退火条件下成功制备了GePb单晶材料。并且霍尔测试表明,该材料具有较好的电学特性,为GePb合金材料在光电集成研究中的应用提供了重要研究基础。6、系统研究了采用离子注入及退火的方法制备GePb合金材料过程中Pb注入剂量及退火温度等条件对材料特性的影响。研究发现高注入剂量会对晶格造成较大的损伤,并且过高的退火温度会导致Pb的表面析出,导致材料特性的退化。除此之外,还系统研究了不同工艺条件制备的GePb合金的载流子输运特性的变化。研究显示,过高的注入剂量和过高的退火温度,都会因材料质量的退化而导致材料的载流子输运特性的恶化。本研究采用不同的方法实现了高质量Si基Ge系应变材料的制备,对材料的制备工艺、晶体质量、电学特性进行了系统的分析和研究,并初步验证了其发光二极管的工作特性,为Ge系应变材料的光电集成应用提供了重要的研究基础。虽然本论文经过系列研究,初步实现了较高质量的Si基Ge系应变材料,但后续仍有很多问题亟待解决,还有很多工作需要开展。