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随着器件尺寸的不断缩小，一个限制硅基互连电路的最主要问题就是电互连。为了能够增加集成电路中互连线的密度、降低互连所消耗的能量和延迟，片间和片内的光互连被提出并得到了大量科研人员的探究。而在光互连中面临的最大挑战是集成的光学器件要与传统的CMOS硅工艺兼容。在光互连系统中，光调制器、光探测器、波导等系统元件都已经通过使用硅材料或者锗材料制作出来，并且与硅工艺兼容。目前面临的主要问题就是缺少一个和硅工艺兼容的光源。主要原因在于硅材料本身是间接带隙半导体材料，具有很低的发光效率。然而锗的 L能谷和Γ能谷最低点只相差130meV，通过掺杂、拉伸应变或者 Si-Ge-Sn系统合金等措施来改变锗的能带结构，可以获得直接带隙半导体，这使得现在很多研究小组将研究重点聚焦在改变锗半导体的能带结构。本文主要专注于研究Si-Ge-Sn系统合金中的GeSn和SiGeSn两种合金，通过理论分析GeSn和SiGeSn合金能带随组分的变化，来设计基于SiGeSn的硅基半导体激光器，为硅基激光器的设计提供可行性方案。 本研究主要内容包括：⑴根据SiGeSn合金具有固定晶格常数下能带宽度可调节、具有直接带隙和间接带隙的优点，设计了20个量子阱的Si0.15Ge0.621Sn0.229/Si0.637Ge0.018Sn0.345无应力多量子阱激光器。理论计算表明，在载流子浓度为5×1018/cm3时，最大光增益达到了2300/cm，等价的透明载流子浓度为0.5kA/cm2。此外，讨论了光限制因子对模式增益的影响，发现模式增益敏感的依赖于量子阱的数目，在本质上主要是量子阱的数目会影响光限制因子。该量子阱激光器的模式增益在注入电流密度为3kA/cm2时达到了1500/cm。结果表明用SiGeSn合金来设计硅基中红外激光器的可能性。⑵根据GeSn材料随Sn组分的增加可以转变为直接带隙半导体，且SiGeSn具有比GeSn更大的能带宽度。通过计算GeSn/SiGeSn量子阱能带结构的分布，根据量子阱阱层材料和垒层材料的选取原则，设计了 Ge0.9Sn0.1/Ge0.71Si0.14Sn0.15多量子阱激光器。激光器的衬底和 n型 Ge0.71Si0.14Sn0.15层之间通过生长一层 Ge0.71Si0.14Sn0.15缓冲层来消除由于晶格不匹配带来的应力问题，上波导层采用脊型波导来降低阈值电流、增大注入效率。采用Silvaco TCAD软件对器件进行仿真，仿真得出量子阱的能带分布与理论分析结果一致。激光器的阈值电流为160mA，TE模增益达到了6600/cm，模式增益达到了110/cm，激射波长为2.4μm，仿真还给出了不同掺杂浓度下阈值电压的变化和不同量子阱数目下模式增益的变化。结果表明该激光器符合硅基激光器的设计要求，为中红外激光器以及硅基激光器的研究发展提供了新的方案。