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Ⅲ-Ⅴ族和Si基半导体材料是光电子、微电子器件两大材料体系。Si基半导体在低成本大规模微电子集成器件方面获得巨大成功，但其间接带隙能带结构限制了其在发光器件方面的应用，同时微电子器件集成规模和运行速度的持续大幅度提高，带来了器件功耗的大幅度增加、摩尔定律面临失效等瓶颈问题。而Ⅲ-Ⅴ族半导体材料在超高速微电子器件、光电器件方面获得广泛应用，但化合物半导体元素日益稀缺、制造成本较高等问题制约了其进一步的发展。以国际半导体技术蓝图(INTERNATIONALTECHNOLOGYROADMAPFORSEMICONDUCTORS-ITRS)为代表的权威机构提出了基于Si基Ⅲ-Ⅴ族异质兼容结构的高电子迁移率微电子集成器件、电算光连集成芯片新方案，有可能实现Ⅲ-Ⅴ族和Si基半导体优势互补、低成本、高性能光电集成器件，是近年来国际重大发展方向。实现Si基Ⅲ-Ⅴ族半导体异质兼容低维材料的外延生长是实现上述方案的重要前提。本论文深入系统地开展了Si衬底上GaAs系Ⅲ-Ⅴ族低维材料的分子束外延生长研究，获得了高质量Si基InGaAs/GaAs量子阱、InAs/GaAs量子点、InAs/(Al)GaAs纳米线等多种异质结低维材料。采用原子力显微镜、透射电子显微镜、扫描电子显微镜、光致发光谱等测试分析了上述异质兼容材料综合性能。主要研究内容和成果如下： (1)研究了Ge衬底上InGaAs/GaAs量子阱的分子束外延生长。通过优化衬底的高温热退火参数、GaAs生长温度和InGaAs/GaAs量子阱生长温度等条件，成功抑制了反相畴的产生，改善了缓冲层外延面的粗糙度，样品表面均方根粗糙度仅为0.32nm。从而提高了InGaAs/GaAs量子阱的光学质量。 (2)研究了GaAs/Si衬底上InGaAs/GaAs量子阱和InAs/GaAs量子点的分子束外延生长。采用InGaAs/GaAs应变驰豫超晶格、高温热退火和AlAs/GaAs超晶格相结合的方法，有效地过滤了位错，将GaAs材料中的位错密度降低至2.41×104cm-2。分析了影响InGaAs/GaAs量子阱和InAs/GaAs量子点光学质量的因素。InAs/GaAs量子点的发光波长位于1.3μm波段，发光强度可与GaAs衬底上的样品相比拟。 (3)研究了Si(111)衬底上低密度GaAs纳米线的自催化分子束外延生长。通过优化Ga液滴淀积温度、淀积厚度、GaAs生长速率、生长温度等参数，可以纳米线的密度控制在107～108cm-2量级，满足单光子发射测试的要求。通过生长以GaAs为内核、AlGaAs为壳层的core-shell异质结，提高了纳米线的光学质量。 (4)研究了Si(111)衬底上InAs纳米线的自催化分子束外延生长。系统优化了不同种类的液滴(In、Al和In/Ga混合液滴等)、生长温度等生长条件，并分析了影响InAs纳米线的密度、直径和长度的机制。 (5)研究了Si(111)衬底上InAs/GaAs纳米线量子点的自催化分子束外延生长。分析了InAs在GaAs纳米线上的生长机制，并研究了InAs引起的纳米线分叉现象。77K下，微区光致发光谱的发光峰波长位于900～950nm，半峰宽只有0.891meV，为实现纳米线量子点的单光子发射提供了可能。 (6)研究了图形Si(111)衬底上GaAs纳米线的自催化分子束外延生长。分析了纳米线倾向于生长于图形边缘的原因，初步实现了纳米线的定位生长，为图形衬底上纳米线的进一步研究打下了基础。