本论文工作是围绕课题组承担的国家863计划项目“面向单片集成的新型Ⅲ-Ⅴ族含硼光电子材料的创新性研究”(No：2009AA032417)；国家973计划项目“新型光电子器件中的异质兼容问题与功能微结构体系基础研究”(No：2010CB327600)中的课题二“半导体异质兼容集成中的新型材料系探索与特殊超晶格结构”(No：2010CB327602)以及国家高等学校学科创新引智计划(B07005)项目展开的。新一代光纤通信系统的发展,对新型光电子器件提出了高速化、集成化的要求,光电子器件由分立走向集成将为光纤通信带来重要的变革。而通信光电子器件集成需解决的最突出问题是材料异质兼容的问题。新型光电子材料的预测和异变外延是解决这个瓶颈的重要途径。本论文重点对面向单片光电子集成的新型材料系进行了理论预测并对InP/GaAs的异变外延生长进行了实验研究,主要研究内容和创新点如下：1、利用第一性原理方法和特殊准随机近似,计算了三元BGaAs合金的结构参数、电子结构、光学性质和热力学性质。讨论了BGaAs带隙宽度和带隙弯曲参数(2.57eV～5.01eV)的变化趋势。分析了BGaAs随组分和温度变化的相变图像,混合形成焓的最大值是161.99meV/atom,解释了高质量BGaAs在通常的生长温度范围内很难合成的原因。2、理论分析了与GaAs基晶格匹配的含硼四元BGaInAs与BGaAsSb合金的电子结构和光学性质。研究了合金中不同原子分布结构的稳定性。得到了B、In和B、Sb的并入对GaAs带隙宽度的影响。在此基础上,对B、In (B、 Sb)的并入对于GaAs的光学参数如介电函数、吸收谱、反射率、折射率和能量耗散函数的影响进行了定量分析。3、研究了三元稀氮GaP1-xNx合金的结构参数、电子结构性质和混合形成焓。结果表明：对于氮组分为6.25%和9.375%,N原子分布在(000)(222)和(000)(011)(222)位置晶体结构是最稳定的。GaP1-xNx晶胞单位体积与Vegard定理相比存在较大的负偏离;GaP1-xNx合金在x=3.125%时表现出直接带隙的特征,N的并入会显著地降低带隙宽度。4、计算了三元GaN1-xBix和InP1-xBix合金的能带结构和光学性质。研究表明：随着Bi组分的增加,两种合金的带隙宽度都明显降低；Bi组分在0～6.25%的范围内,GaN1-xBix与InP1-xBix带隙宽度的平均降低速率约分别为227meV/%Bi和89meV/%Bi; Bi并入后对GaN的吸收谱、反射率、折射率和光导率等参数都有较大的改变。5、探索和优化了InP/GaAs异变外延生长工艺。通过低温超薄InP缓冲层及正常InP外延层中插入多周期InP/InGaP应变层超晶格等方法外延生长了正常InP层。采用低温GaAs和低温InP缓冲层生长InP外延层(1.1μm),其XRD co-29扫描的半高全宽为443arcsec。在InP外延层中插入InGaP/InP应变层超晶格,InP外延层的XRD ω-29扫描的半高全宽下降到340arcseC。利用组分渐变缓冲层方案,分别使用组分线性渐变和台阶式渐变两种技术生长了InGaP与InGaA异变缓冲层,分析了其阻挡穿透位错穿入外延层的作用。