Ⅲ-Ⅴ族Ga As、In As材料是直接带隙半导体,具有优异的光学性质,在高效率光探测器、激光器等器件中有广泛应用。IV族Si、Ge是微电子领域的基础材料,具有先进成熟的加工工艺。近年十多年来,为了实现Ⅲ-Ⅴ族光电材料在IV族衬底上的集成,以IV族材料为基底的Ⅲ-Ⅴ族材料异质外延生长研究受到了广泛的关注。此外,特定结构的Ga As/Ge异质结薄膜还被预言可能具有拓扑物态等新奇性质。器件的物理性能直接取决于Ga As/Ge薄膜的晶体质量。然而,Ge衬底上Ga As材料的高质量外延生长面临着极性失配带来的反相畴问题以及楔形露头堆垛层错的问题。之前的解决方法是让缺陷在界面处一定厚度范围内湮灭,例如斜切Ge衬底和锯齿形图形衬底上的异质外延方法。然而对于一些新奇量子器件,性质依赖于Ga As/Ge异质结的界面调控,需要完美晶格结构的外延生长。本论文提出了一种新的Ga As/Ge异质结薄膜生长方法。通过构造没有原子台阶的step-free表面,实现了高晶体质量、极薄的Ga As/Ge异质结的生长,避免了反相畴,楔形露头堆垛层错等缺陷的形成。并在这种异质结薄膜上直接外延生长了高质量的Ⅲ-Ⅴ族量子点发光结构与量子阱发光结构。高质量的Ga As/Ge异质结可能应用于高量子效率太阳能电池和高迁移率CMOS晶体管。step-free表面的构造还可能应用于半导体量子计算的高性能二维电子气、空穴气或基于Ga As/Ge/Ga As量子阱的二维拓扑绝缘体。本论文主要研究工作如下:1、通过微纳加工在Ge（001）衬底上制备出方形平台周期性阵列结构,利用扫描隧道显微镜和原子力显微镜研究了不同生长条件下该图形衬底上Ge平台的表面形貌演化,实现了不同尺寸的step-free表面,经优化最大能达到5×5μm2。2、在step-free的Ge平台表面上直接外延生长Ga As薄膜,在不同的平台上,从40 nm到120 nm厚度范围内均获得了无反相畴与堆垛层错的高质量薄膜,表面粗糙度RMS均小于0.22 nm。高分辨透射电镜研究在Ga As/Ge界面处没有观测到任何缺陷。研究了具有Ge二聚体畴界和空位凹坑缺陷的Ge平台上Ga As层的生长,并结合实验提出了楔形露头堆垛层错的形成原理。此外,研究了As预置层,Ga预置层和MEE生长对Ge平台上Ga As薄膜表面形貌的影响,显示使用As预置层的表面起伏RMS比另外两种结果低一个数量级。3、在Ga As/Ge平台衬底上外延生长了In As/Ga As量子点和Ga As/Al Ga As量子阱的发光结构,获得了与Ga As（001）衬底上对应结构相当的发光强度。In As量子点光致发光谱主峰峰位为1280 nm,基于此结构的微纳光源有望应用于硅基光电子领域。4、研究了Ga As/Ge/Ga As（111）量子阱结构中是否能构造出强极性界面来实现拓扑绝缘体。通过在Ge（111）衬底上外延生长单层As层研究了Ga As/Ge界面;通过在Ga As（111）B衬底上外延生长1～4个双原子层的Ge研究了Ge/Ga As界面和Ge层薄膜性质。经过扫描隧道显微镜和局域扫描隧道谱的系统研究,推断该量子阱结构中层间互扩散严重,具有均匀电荷堆积的理想异质结界面很难稳定存在。