随着微电子、光电子技术的发展,新材料、新技术不断涌现。Si衬底上直接外延生长Ge外延层（Ge/Si）技术,兼具Si衬底与Ge半导体优势,在微电子与光电子领域应用潜力巨大。然而,由于Si与Ge之间存在4.2%的晶格失配,Si衬底上直接生长高质量Ge外延层非常困难。常见的结合循环热退火的两步法工艺虽可制备出高质量Ge/Si外延层,但仍有如下缺点:（1）该工艺通常制备的Ge外延层约1微米厚,薄Ge外延层制备适用性差;（2）该工艺周期长、热预算高。激光再晶化技术为解决该问题提供了一个有效的途径。该技术本质是热致相变的过程,通过控制激光工艺参数,使得一定厚度的Ge外延层熔化并实现晶格重排再结晶,降低Ge外延层位错密度。激光再晶化技术速度快、工艺步骤简单、控制精确,可实现高质量薄Ge/Si的制备。本文基于时域有限差分法,建立了808nm连续激光照射Si上Ge外延层的吸收和反射模型。基于该模型,本文研究了SiO₂覆盖层厚度及Ge外延层厚度对808nm连续激光照射Si上Ge外延系统的反射率与吸收率的影响。结果表明:当SiO₂覆盖层厚度为150nm时,反射率最低且Ge外延层对激光的吸收率最高;Ge的吸收率随Ge厚度的增加呈波动上升趋势,而Si衬底的吸收率随着Ge厚度的增加呈下降趋势。以上结果可以为Si上Ge激光再晶化SiO₂覆盖层厚度及Ge厚度的选择提供理论参考,同时为后续模型的建立提供重要参数。基于传热学原理和有限元方法,本文建立了Si上Ge外延层激光再晶化工艺参数与系统温度分布的热物理模型。基于此模型,研究了系统初始温度、Ge外延层厚度、激光输出功率及有效激光半径等工艺参数对Si上Ge外延层激光再晶化的影响,并提出Si上Ge外延层激光再晶化工艺参数选择方案:SiO₂覆盖层厚度150nm,激光再晶化前对体系进行873K预热,Ge外延层厚度400nm,808nm连续激光输出功率60W,有效激光半径75μm。Si上Ge外延层激光再晶化热物理模型的研究,可为激光再晶化辅助制备Si衬底上高质量薄Ge外延层提供工艺参数制定的技术参考。此外,利用上述方法,本文还研究了SiO₂/Ge/蓝宝石系统激光吸收模型和激光再晶化热物理模型,通过优化工艺参数,使得Ge外延层熔化,可为激光再晶化技术辅助制备高质量GeOI提供重要技术参考。激光再晶化属于热过程,工艺中可能存在Si-Ge相互扩散的问题。本文研究了Si-Ge相互扩散的机制,基于菲克扩散定律建立了Si上Ge外延层高温热处理Si-Ge相互扩散的数值模型,并在此基础上利用工艺仿真软件Sentaurus Process对热退火和激光再晶化Si-Ge相互扩散进行了工艺仿真。结果表明,与传统热退火相比,Si上Ge在激光再晶化过程几乎不发生Si-Ge相互扩散。合理控制激光再晶化工艺参数,使得Si-Ge界面附近薄层Ge不熔化,可在提高Ge外延层晶体质量的同时,有效避免激光再晶化过程中的Si-Ge相互扩散。本文关于Si上Ge外延层激光再晶化热物理模型以及Si-Ge相互扩散的研究工作,可为激光再晶化工艺辅助制备高质量Si上Ge外延层提供重要的技术参考。