纳米尺度MOSFET器件的按比例缩小面临着诸多挑战,采用高迁移率材料作为沟道的MOSFET器件或者采用基于隧穿原理工作的TFET器件将有可能是未来推动“摩尔定律”继续发展的技术方案。近年来新型GeSn合金材料由于其独特的能带结构而备受关注。GeSn合金具有高迁移率的特性,同时其可能的直接带隙特性也有利于载流子隧穿能力的提升,可见GeSn有望应用于未来高性能的MOSFET和TFET等场效应器件中,因而对GeSn材料的研究具有重要的价值和意义。本论文针对GeSn合金材料及相关场效应器件的关键技术开展了系统深入的研究工作。采用经验赝势法对GeSn合金的能带结构进行了全面的计算和分析,深入探究了GeSn合金的带隙变化特点。提取了GeSn合金中载流子的有效质量参数,结果表明高Sn组分条件在总体上有利于载流子有效质量的减小。通过分析Γ电子和空穴的有效质量,对GeSn合金中载流子的输运能力和隧穿能力有了全面的把握。针对GeSn的MOSFET器件应用,对GeSn合金样品做了全面的表征分析,研究了GeSn合金所能承受的工艺热开销,重点分析了GeSn材料与高κ介质之间的MOS界面特性,提出了一种将GeSn表面经臭氧氧化后氮化形成GeSnON界面层的钝化处理工艺,可有效降低GeSn MOS结构的界面态密度,得到的MOSFET空穴有效迁移率与Si的普适化空穴有效迁移率相比可提升至4倍以上。针对GeSn的TFET器件应用,通过数值模拟的方法对具有GeSn/Ge异质结的N沟道和P沟道TFET器件进行了优化设计,提出了“沟道中包含异质结的HC型点隧穿器件”以及“源区中包含异质结的HS型线隧穿器件”两种优化的器件结构,有效地改善了GeSn/Ge TFET器件的亚阈特性,显著提升了器件在极低电源电压条件下的驱动能力。为了进一步提升GeSn场效应器件的性能,本论文全面研究了在GeSn合金的（001）、（110）、（111）面上施加双轴应变以及在[100]、[110]方向上施加单轴应变的情况,分析了GeSn合金带隙和有效质量在不同Sn组分以及应变条件下的变化特点,提出了对提升GeSn载流子输运能力和隧穿能力最为有利的最优双轴、单轴应变方案,为高性能应变GeSn MOSFET和TFET场效应器件的优化设计提供了参考和指导。