随着集成电路制造工艺的不断进步，芯片集成度不断提高，由此带来的信号电互连的功耗提高、信号延迟、电磁干扰等物理瓶颈日益显著，光互连被认为是有望突破传统的电互连瓶颈的解决方案，而成为芯片上或芯片之间的超短距离信息传输的主干通道。以CMOS工艺为基础的Si基光电子技术应运而生。此外，互联网、云计算、物联网的快速发展，催生了人们对高速大容量信息传输技术的巨大需求，促使光纤通信技术向光电子集成方向不断演进，相比于InP基集成光电子技术，Si基光电子集成在性能、成本、可靠性等方面有显著优势。因此，硅基光电子技术成为产业界如Intel、IBM、Luxtera、Kotura、Compass-EOS、华为等公司竞相追逐的热点。　　当前，硅基光电子核心器件:调制器、探测器、阵列波导光栅、波导、耦合器等已经等取得突破，可是由于硅、锗材料的间接带隙特点，与CMOS工艺兼容的高效硅基激光光源是最大的挑战。虽然通过耦合外部光源或者将InP基激光器键合在硅波导上可以达到使用的要求，但是这些方案不能与CMOS工艺兼容，效率低、成本高。因此，基于CMOS工艺的单片集成硅基光源一直是硅光子器件研究的关键。研究表明Ge1-xSnx材料在锡组分为8％附近可成为直接带隙，有望作为硅基激光器的材料，并且Ge1-xSnx材料的能带特点显示它在覆盖全光通信波段的探测器、短波红外探测方面有突出的应用前景。　　本论文围绕锗锡材料特性与器件研制，研究了Ge1-xSnx材料的异质结、量子阱的能带特性与外延生长;设计模拟了SixGe1-x-ySny/Ge1-xSnx/SixGe1-x-ySny双异质结激光器;研制出GeSn PIN结构短波红外探测器，以及吸收区与倍增分离(SACM)的GeSn-on-Si APD，主要研究结果如下:　　(1)基于能带理论中的形变势理论计算了GeSn/Ge、Ge1-xSnx/Ge1-ySny几种不同组分与应变情况的异质结组合的带阶关系，并理论计算了作为准直接带的锗锡量子阱层的Ge1-xSnx/SixGe1-x-ySny单量子阱的带隙与阱宽的关系，为进行有效的器件设计研制打下基础。　　(2)外延并表征高质量的Ge0.952Sn0.048/Ge异质结和多量子阱的晶体质量与能带结构，调制反射光谱表明室温下Ge0.952Sn0.048/Ge量子阱没有量子限制效应;研究了Ge1-xSnx/Ge超晶格结构外延特征。结果显示，锗缓冲层可以有效降低超晶格位错密度，随着层数的增加，由于应力导致的表面起伏会降低超晶格Ge1-xSnx/Ge层之间的界面质量。　　(3)开展GeSn光电子器件关键工艺研究。实验发现氟基气体刻蚀高组分锗锡会产生大量团簇，摸索出用氯基气体刻蚀高组分锗锡工艺条件:在Cl2∶BC13∶Ar=10∶30∶20条件下可以获得均匀平滑的刻蚀效果;研究了较高组分的GeSn材料在快速退火条件下的晶体质量演变规律，发现5％组分的锗锡在500℃退火30s可以有效改善晶体质量。这些结果为研制基于高组分锗锡的光电子器件打下了工艺基础。　　(4)研制出GeSn P-I-N短波红外探测器。测试结果显示，在3V反向偏压下，探测器在1640 nm、1790 nm和1950 nm波长处的响应度分别为0.56 A/W，0.71A/W和0.13A/W。得益于材料良好的晶体质量，-1V偏压下器件的暗电流密度低达6.1 mA/cm2，是当时报道的GeSn光电探测器中的综合指标的最优结果。　　(5)设计并研制出GeSn作为吸收区的SACM GeSn-on-Si APD。系统地分析了电荷区、雪崩区掺杂条件对于器件电场分布的影响。测试结果表明，在1550nm处的增益带宽积达到25GHz。器件响应度和带宽是目前GeSn APD已发表的最好结果。此外，根据仿真结果与测试结果的比较，提出器件工艺的不足，以及下一步改进工艺的建议。　　(6)系统研究了影响GeSn发光和增益特性的物理因素，表明对于特定组分锗锡有一个最优的注入浓度达到最高增益。设计并数值模拟了SixGe1-x-ySny/Ge1-xSnx/SixGe1-x-ySny双异质结激光器，得到不同增益波长和温度下的阈值电流密度Jth:6.47kA/cm2(200K，λ=2050nm),10.75kA/cm2(200K，λ=2000nm),23.12kA/cm2(300K，λ=2100nm)。表明获得一个室温电注入的GeSn短波红外激光器是可能的。　　(7)根据材料和器件研究的需要，考虑到锗锡材料的发光特性，主持设计和搭建了目前国内首个低温微区显微聚焦近红外光荧光测试系统。该系统的测试温度范围在9K-325K，测试波长范围0.6-3微米。