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硅基光电子学融合了光子技术和微电子技术，在光通信、光互连等领域有重要的应用前景，并已取得了一系列重大进展。高效发光器件是硅基光电子学的核心环节，也是该领域目前唯一没有成熟解决方案的难题。尽管Ge与Si同样是间接带隙半导体，然而由于其特殊的能带结构，有望通过能带工程等手段实现高效发光。近年来外延技术的进步使得Si基Ge材料成为Si基高效发光的研究热点。 本文的研究内容有三部分。第一部分介绍Si基Ge材料的外延技术，以及Ge/Si室温电流注入LED的制备；第二部分介绍Si基Ge量子阱的材料生长，及其载流子限制效应和发光特性；第三部分介绍以Ge为过渡层的Si基GaAs生长技术，以及Si基GaAsLED的制备。主要研究成果如下： 1、成功生长了高质量的Si基Ge薄膜，其表面均方根粗糙度约为1nm，X射线衍射峰半宽为120秒，卢瑟福背散射谱的平均沟道比为6％。通过探讨Ge低温过渡层的表面形貌、应力、反射高能电子衍射图样等，系统研究了低高温两步法生长Si基Ge薄膜的原理，得到了低温Ge过渡层的合适生长温度和厚度。在合适的低温下，Ge薄膜在释放失配应力的同时能保持平整的表面，最终在60nm的Ge薄膜内释放了绝大部分Ge/Si失配应力。 2、在国际上率先成功制备出PIN结构的Si基Ge异质结室温LED。当正向偏压大于1.1V时，观测到峰值波长在1572nm附近的室温电流注入发光。其发光强度与注入电流成正比。由于能带填充效应，当正向偏压为2.5V时，发光峰值波长从1572nm蓝移至1565nm，证明了发光机制为Ge直接带隙辐射复合。理论计算指出，正向偏压为1.1V时，Ge直接带电子辐射发光的概率为散射到导带底概率的1％。 3、成功制备出高质量的应力平衡Ge/Si0.15Ge0.85I型量子阱。该材料结构对载流子有良好的量子限制作用，并观测到明显的量子限制Stark效应。 4、以低高温两步法生长的Ge薄膜为过渡层，在倾斜Si(100)衬底上成功制备出GaAs薄膜。测试表明GaAs薄膜中反相畴被成功抑制；1.5μm厚的GaAs表面存在1016cm-3的Ge扩散浓度。GaAs的位错密度与Ge过渡层的位错密度密切相关，而Ge的位错密度大致与其厚度平方根成反比。在1μmGe/offcutSi(100)虚衬底上的1.5μmGaAs的位错密度约为9×107cm-2，该材料制备的GaAsPN结观测到了中心波长为900nm的室温电流注入发光。