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硅基单片光电集成技术致力于使用与硅兼容的半导体工艺将光子学器件集成到硅芯片上,从而提高芯片的性能或者拓展芯片的功能,降低成本。虽然光波导、光探测器、光调制器和光开关等硅基光子学器件都已经被成功的研制出来,但是由于硅的间接带隙特性,难以实现高效发光。因此,硅基高效光源是制约硅基单片光电集成的重要技术瓶颈。寻找一种与Si CMOS工艺兼容的直接带隙半导体材料实现硅基单片光电集成,具有非常重要的研究意义和应用价值。同为四族元素的Ge材料因其直接带隙与间接带隙差仅为136 m V而受到研究人员的广泛关注,其带隙结构可以通过应变工程与Sn合金工程进行调节,是实现硅基高效光源的重要备选材料。硅基高效光源作为硅基单片集成芯片中最核心的部件,在实现高效、高速、低损耗的数据传输起着至关重要的作用。本文重点开展改性Ge材料的外延生长及其相干发光器件的关键技术进行研究:制备了高质量的改性Ge发光材料,系统的研究了改性Ge材料的材料特性;设计并优化了应变Ge发光器件的关键制备工艺,实现了连续波电注入的应变Ge发光二极管;通过优化微盘腔GeSn激光器的光学参数与热学参数,设计出了有望在室温下工作的高性能GeSn激光器。主要研究成果如下:1.基于RPCVD的Si基Ge材料制备技术研究。采用低温Si缓冲层与低温-高温两步法相结合的方法,实现了表面粗糙度较小（0.68 nm）、位错密度较低(3×106 cm-2)、张应变为0.21%的本征单晶Ge外延层。在本征单晶Ge外延工艺的基础上进行p型掺杂、原位循环退火、原位高温H2退火、Si帽层的优化,实现了张应变为0.23%的高质量的可用于Ge发光器件的p-Ge/i-Ge/i-Si材料层结构,其工艺步骤为后续Ge基发光器件的设计与开发奠定了坚实的基础。2.Si基Ge材料位错密度研究。提出了摇摆曲线法计算Ge外延层中的位错密度,结果表明:摇摆曲线法得出的位错密度(1.41×108 cm-2)比腐蚀坑法和TEM法得出的位错密度值高一到两个数量级。因此,该方法得出的位错密度为Ge外延层中的平均位错密度。该方法的提出简化了Ge外延层的位错密度表征流程,也降低了Ge外延层的位错密度表征成本,同时有效的避免了缺陷表征对Ge外延层样品的损伤,并有助于加速Ge外延材料的研究进程。3.基于PVD的Si基GeSn材料制备技术研究。采用直流磁控溅射的方法分别在Si（100）和Si（111）衬底上实现了高Sn组分GeSn材料的生长,并对高Sn组分GeSn材料的偏析机理进行了系统的研究。在此基础上,采用射频磁控溅射的方法在Ge缓冲层上实现了Sn组分为3%的高质量GeSn,并在室温下观测到了光致发光信号,表明该方法制备的GeSn合金可以用于制备发光器件,首次在物理气相淀积法制备的GeSn合金观测到光致发光信号。4.边发射应变Ge发光器件关键技术研究。设计并优化了n型离子注入工艺、应变Ge发光二极管的器件制备工艺及其封装工艺,得到了室温下、连续波电注入条件下稳定工作的应变Ge发光二极管,其电致发光峰的位置位于1640-1645nm之间。同时,设计了一套电注入应变Ge激光器的变温测试装置,该装置可有效的避免电注入热效应对激光器性能的影响,有利于应变Ge激光器激射行为的研究。5.GeSn微盘腔激光器的光学与热学设计研究。为了提高GeSn微盘激光器的工作温度,提出了一种基于高热导率金属材料键合法实现高质量、高Sn组分GeSn微盘激光器的热学管理方法。采用Si层作为GeSn层与Au金属层之间的热传输介质可以显著提高其热传输速率,有助于减少温度对增益区域俄歇复合及带隙结构的影响。该结构的GeSn激光器在光注入功率低于25 m W时,不同温度下GeSn微盘激光器增益区域的温度变化均小于10 K,为实现室温下工作的GeSn激光器奠定了良好的基础。