硅（Si）基光电子技术可以将光子技术的高带宽、低功耗、高速率优点和微电子成熟的加工技术相结合实现光电集成,它具有低成本、高集成度、高可靠性的优势。目前,Si基光电探测器、Si基光调制器以及Si基光波导方面都已经成功得到广泛的应用,但是Si基激光器还有不足之处。尽管已有基于晶片键合技术的Si基光电集成的商用芯片,然而晶片键合技术存在着成本高、无法大规模生产等问题。Si基直接外延Ⅲ-Ⅴ族半导体材料技术可以最大化的利用成熟的微电子加工工艺实现低成本、大规模生产。GaAs是常用的Ⅲ-Ⅴ半导体材料之一,但是Si材料与GaAs材料之间存在着晶格常数、热膨胀系数以及极性的性质差异。由于Si材料是非极性的金刚石结构,而GaAs材料是极性的闪锌矿结构,GaAs半导体在Si衬底上外延时会产生反相畴（Antiphase Boundary,APB）的缺陷。过去通常采用Si（001）面偏向[110]方向4°～6°衬底或者采用Si（211）面作衬底来抑制反相畴,但是这些方法与要求采用无偏角Si（001）作衬底的CMOS工艺不兼容。为了解决反相畴的问题,人们做出了不懈的努力。研究者发现通过对Si衬底高温退火实现反相畴的抑制,这种方法成本低且工艺简单,针对此方法已经提出了几种无反相畴外延生长方案,然而目前抑制反相畴的生长方案还存在着各种问题。例如,退火温度过高、需要过渡缓冲层（GaP、Si、AlGaAs）等。其中,退火温度过高可能会破坏微电子芯片结构,对微电子与光电子的集成造成不利的影响,而且对工业生产设备提出了更高的要求,进一步提高了生产成本。增加过渡缓冲层会提高工艺复杂度,例如Si缓冲层的生长需要特定生长炉。反相畴产生的根本原因是Si（001）表面的单层原子台阶相,若使Si（001）表面的单层原子台阶相转变为双层原子台阶相则可以从根本上消除反相畴。因此,从仿真和实验上探究无偏角Si（001）表面双层原子台阶相的形成以及优化无反相畴外延生长的工艺是非常必要且迫切的。本论文围绕无偏角Si（001）表面双层原子台阶相形成的问题进行理论计算与实验研究。首先采用第一性原理计算了无偏角Si（001）表面台阶相结构在不同气体环境下的热力学稳定性,然后通过实验得到了无偏角的Si（001）基无反相畴GaAs样品。主要研究内容与成果如下:（1）首先建立了Si（001）表面不同台阶相结构的模型,然后利用第一性原理方法对不同表面台阶相的表面能进行分析对比。研究得到,在真空环境下,SA台阶相的能量最低,Si（001）表面双层原子台阶相（DA、DB）能量高于单层原子台阶相（SA、SB）。因此,从热力学上看,在真空环境中,单层原子台阶相是不会自发转变为双层原子台阶相的。在H2环境下,当H化学势大于-3.2eV时,双层原子台阶相DB在能量上最低,最有利于Si（001）表面双层原子台阶相的形成。在AsH3环境下,As化学势在大于-5 eV时,SB型台阶相、DA型台阶相和DB型台阶相的能量最低且非常接近,在热力学方面没有能量上选择性,Si（001）表面相变不偏向于双层原子台阶相的形成。从宏观上看,无偏角Si（001）表面的双层原子台阶相不能占据主导。最后分别计算了在P、Ga、In、Al化学势下Si（001）表面不同台阶相结构的表面能,得出在这些化学势下无偏角的Si（001）表面都不易形成双层原子台阶相。（2）采用金属有机化学气相沉积（Metal-organic Chemical Vapor Deposition,MOCVD）技术研究了氢化退火和AsH3环境下退火对Si（001）表面双层原子台阶相形成的影响。首先通过对比Si（001）偏[110]方向4°衬底和无偏角衬底（偏角小于0.5°）在AsH3环境下退火样品的实验结果,验证了我们的仿真分析结果,即在AsH3环境下对Si（001）表面的单层原子台阶相和双层原子台阶相没有能量选择性,无法实现单层原子台阶相和双层原子台阶相的相互转换。然后探究了在H2环境下,不同退火温度对无偏角Si（001）衬底外延GaAs材料反相畴密度的影响,并且从动力学和热力学角度解释了实验结果。最终得到了最佳的退火条件,在H2环境下,压强为800 mbar,温度为800℃,退火10 min。在此退火条件下,无偏角Si（001）衬底表面形成了双层原子台阶相。