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由于摩尔定律已经接近其极限,Si基芯片性能的提升变得越来越困难,而人们对带宽的需求又越来越大。解决这一挑战的可行性方案是将有源光子材料与Si集成在一起:一方面可以实现高速的片内和片间互连,另一方面又可以充分发挥CMOS工艺在光器件领域的经济效益。作为一种重要的有源光子材料,GaAs及其相关的半导体材料与Si相结合可以制成Si基激光器件。但是Si衬底上的GaAs外延生长仍然面临着挑战。由于GaAs和Si之间的晶格失配、热膨胀系数差异和极性失配,GaAs/Si外延过程中会在GaAs外延层中形成缺陷。利用图形衬底进行外延生长可以有效地解决这一问题。GaAs先在图形衬底的窗口区内选择性沉积,然.后在掩膜上进行横向生长,最终不同的生长区域相互合并,形成连续的GaAs外延层。在这一过程中,掩膜底部和侧壁会阻断位错线向外延层延伸,进而提高掩膜上外延层的晶体质量。但是,不同窗口区的GaAs外延层相互合并的时候会引入新位错,并且容易在外延层表面形成大的粗糙度。本论文研究了 Si纳米图形衬底上GaAs材料的金属有机化学气相沉积（MOCVD）,研究重点为不同生长区域之间的合并问题。论文的主要工作和成果如下:1、制备了以SiO2为掩膜的Si（001）纳米图形衬底,并完成了图形衬底外延生长前的表面处理工作。通过激光全息、深紫外光刻、纳米压印和干法刻蚀等技术制备了条型图形衬底（窗口宽度120 nm,周期240 nm）和孔型图形衬底（孔直径350 nm）。详细分析了图形衬底表面的污染物类型,并有针对性地提出了清洗方案,获得了适合外延生长的清洁图形衬底。2、研究了 MOCVD生长参数对Si图形衬底上GaAs外延生长选择性的影响。通过改变生长速率、生长温度和反应室压力,观察GaAs在图形衬底窗口区和SiO2掩膜上的生长情况。实验结果表明,在1A/s的生长速率和70 Torr的压力下,外延生长选择性良好。且GaAs在Si图形衬底上的生长选择性对温度不敏感。3、提出了三阶段横向外延生长法。将GaAs在Si图形衬底上的外延生长分为选区外延生长阶段、横向合并生长阶段和平滑生长阶段。优化了各个生长阶段的生长速率、Ⅴ/Ⅲ比,温度和生长时间。通过此方法,条型图形衬底上的GaAs外延层在掩膜上迅速并均匀地合并,合并后的外延层表面平滑,同时也降低了因合并而引入的位错密度。4、研究了条型图形衬底条形窗口的方向对GaAs横向生长的影—响。采用条形窗口方向分别为[110]、[-110]、[010]和[410]（偏离[110]方向30°）的四种Si条型图形衬底,进行了 GaAs外延生长。实验结果表明,当条形窗口方向为[410]时,GaAs的横向生长速率最大;并且在不同的条形窗口方向下,GaAs 的截面形貌截然不同;同时对应此四种条形窗口方向的外延层厚度分别为542.7 nm,510.0 nm,511.8 nm和 396.3 nm,表面粗糙度（10×10μm2）分别为 16.5 nm,21.4 nm,10.5 nm 和 6.29 nm。5、验证了条型图形衬底上不同窗口区外延层之间合并时新位错产生的机制—“双头拉链”合并生长模式。用三阶段横向生长方案在Si条型图形衬底上进行GaAs的选区外延生长与合并。测试结果显示:相邻窗口区的GaAs外延层开始合并的时候,在合并区域并没有产生新位错;GaAs的合并从某两个生长点开始,然后沿着掩膜条向这两个点的中间行进,最后相遇,容易形成位错。6、研究了 Si（001）孔型图形衬底上GaAs的外延生长。在孔型图形衬底上进行GaAs的三阶段横向外延生长。在选区外延生长阶段时,GaAs生长选择性良好,在窗口内形成GaAs柱,柱顶部含有多个不同方向的生长面。在横向合并生长阶段,GaAs柱长出掩膜层后不再直立地沿（001）方向生长,而是一致地向某一方向倾斜;GaAs柱的侧壁由四个晶面组成。这些GaAs柱合并时导致外延层表面粗糙。