近十几年来,信息产业突飞猛进,现代光通信网面临着空前的挑战。光纤通信网的数据处理与收发模块中包含了大量的光电子器件,所以光电子器件直接影响着光纤通信网络的综合性能。为了提高现代光纤通信网络的性能,人们将光电子器件集成到了同一芯片中,即光电集成。光电集成技术使光通信系统趋于型化甚至微型化,即集成微系统。集成微系统的优点是很明显的：首先,体积小、重量轻,易于携带,可以更广泛地应用于航天、无线通信等领域；其次,集成微系统省去了原来分立的各个器件之间的连接与耦合,大大降低了系统的出错概率,提高了其稳定性；再次,集成微系统具有能耗低的优点。鉴于此,光电集成成为了光电子器件发展的大势所趋。本论文以单片光电集成为出发点,重点研究了实现异质兼容集成微系统的三种途径：GaAs/Si异变外延、InAs/GaAs自组织量子点、Ⅲ-Ⅴ族含硼半导体材料。论文的主要研究内容及创新点如下：1.针对GaAs/Si异变外延生长,系统地优化了传统两步法中低温GaAs成核层的生长温度、厚度及高温GaAs外延层的生长温度。进而提出了三步法,即在低温成核层(420℃)与高温外延层(685℃)之间插入一层中间温度层(630℃,300nm)。实验表明：三步法可以显著降低GaAs异变外延层的表面均方根(RMS)粗糙度,1.8μm的GaAs异变外延层的粗糙度由3.6nm降至2.6nm(扫描面积10×10μm)。进一步,结合循环退火,将粗糙度降至1.8nm,同时样品表面的腐蚀坑密度由108/cm2降低至106/cm2量级；2.利用三步法,在Si(100)衬底上生长出了InGaAs/GaAs应变双层结构,并利用自卷曲技术成功制备出了结构质量良好的Si基Ⅲ-Ⅴ族微米管阵列；3.深入开展了InAs/GaAs自组织量子点的MOCVD生长研究。优化了单层InAs/GaAs量子点的沉积速率,Ⅴ/Ⅲ比,生长温度,低温盖层厚度等关键参数。在此基础上,生长了多层的InAs/GaAs量子点,引入GaAs0.5P0.5应变补偿层,有效抑制了多层量子点的应变积累,使量子点的PL强度随着层数的增加而增加。此外,还利用InGaAs应变减少层使量子点发光波长红移；4.在GaAs/Si异变外延与量子点生长研究基础上,开展了Si基InAs/GaAs自组织量子点的初步生长探索。实验发现：在相同InAs沉积厚度的情况下,Si基InAs/GaAs量子点的尺寸大于GaAs基量子点,从而使量子点PL波长红移。此外,还将量子点插入Si基GaAs异变外延层阻挡穿透位错向上穿透,然而,新的位错会在量子点表面大岛处成核,使得样品表面腐蚀坑密度由106/cm2增加至107/cm2,所以仍需要进一步优化Si基量子点生长条件；5.相对于三元材料,含硼四元材料的晶格与能带能够更加灵活地调整,是实现单片集成的另一种可能途径。作为含硼四元材料研究的铺垫,BGaAs三元合金生长首先被研究：分别采用TMGa与TEGa两种Ga源来生长BGaAs三元合金,研究发现：使用TEGa可以在更低的生长温度下(500℃)获得质量良好的BGaAs合金,且可以使B组分由原来的3%提高到5%；6. BInGaAs/GaAs高应变多量子阱结构及光学性质研究：生长了In组分为0.35与0.4的InGaAs/GaAs高应变多量子阱,以及相应的BInGaAs/GaAs多量子阱,研究发现：在应变相同的条件下,BInGaAs/GaAs多量子阱发光波长更长,而对于发光波长相同的样品,BInGaAs/GaAs多量子阱的应变较低,可以生长得到结晶质量更好的样品；7.深入开展了BGaAsSb四元合金及BGaAsSb/GaAs多量子阱的生长实验。研究发现：B并入可以使得上述两种BGaAsSb材料中Sb的并入提高。经分析后认为：因Sb具有表面集聚效应,在生长锑化物(如GaAsSb)时,会有一部分Sb以液态金属的形式留在锑化物薄膜表面,阻碍了Sb元素并入至合金中。而B并入可以使得这种表面集聚现象减弱,从而使得Sb并入效率提高。