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Ge1-xSnx合金是一种新型的Ⅳ族半导体合金材料，其晶格常数、能带结构可以在较宽的范围内进行调控，使其在硅基高效光电器件、硅基微电子器件、硅基全光谱高效太阳能电池等方面有着广泛的应用前景。然而，外延生长高质量Ge1-xSnx合金材料却面临着很多的困难。与Si衬底之间高达4.2％-19％的晶格失配，使得在Si上外延高质量Ge1-xSnx材料存在很大挑战。同时，Ge和Sn的相互平衡固溶度极小，且Sn的表面能远小于Ge，极易发生表面分凝，这使得Ge1-xSnx材料的外延生长只能在远离平衡状态的低温下进行。
本文集中于Ge1-xSnx/Si和Ge1-xSnx/Ge/Si材料的MBE生长及其特性研究，内容包括如下几方面：
采用低温MBE方法，直接在Si(100)衬底上外延生长了Ge0.97Sn0.03合金。外延生长的温度窗口很窄，温度过高时会发生Sn的表面分凝，而温度过低时，则会迅速发生外延中断。XRD测试表明Ge0.97Sn0.03薄膜几乎完全弛豫，对应Ge0.97Sn0.03衍射峰峰值半高宽约为0.173°，表面粗糙度约为1.528 nm(by AFM)。进一步在Si(100)上外延生长了不同Sn含量的Ge1-xSnx合金(x≦0.18)，其应变弛豫度均达约96％。应力主要通过在Ge1-xSnx、Si界面处形成Lomer刃位错释放，其平行于生长平面，不会向薄膜表面延伸，从而不会破坏材料的电学和相应器件性能。随着Sn含量的增加，Ge1-xSnx薄膜晶体质量没有出现明显下降，表面粗糙度也没有明显增加。
在Ge0.91Sn0.09/Si(100)缓冲层上，外延生长了拉应变Ge材料，最高引入拉应变达0.82％。系统研究了拉应变数值随生长温度，外延Ge层厚度的变化。XRD和Raman测试表明，生长温度对拉应变引入值影响不大，而由于应力的弛豫，拉应变随Ge层厚度增加而减小。
采用低温高温两步法在Si衬底上外延生长出了质量优良的Ge材料，位错密度约为106 cm-2，表面均方根粗糙度约为0.476 nm。低温生长Ge buffer层时，Stranski-Krastanov(SK，先层后岛)模式受到抑制，Ge的生长将保持二维生长。而接下来的高温生长，则可以提高生长速率，并使得材料质量得以恢复，从而实现高质量的Ge材料生长。系统研究了低温Ge缓冲层的表面形貌演变，优化了低温缓冲层及高温Ge层的生长条件。
在低温高温两步法Ge缓冲层上外延生长了Ge1-xSnx合金。当Sn含量较低时，RBS和XRD测试表明材料具有良好的晶体和热稳定性。而随着Sn含量的提高，Ge1-xSnx外延层与Ge buffer层之间晶格失配不断增大，材料晶体质量和热稳定性均出现下降。AFM测试表明材料表面粗糙度为1.568-2.158 nm，满足器件制备要求。在Ge0.97Sn0.03/Ge/Si(100)材料上成功制备了GeSn PIN光电探测器，其相对较小的暗电流密度进一步表明我们的材料具有好的晶体质量。
系统研究了Ge1-xSnx/Ge/Si(100)材料的高温退火特性，并详细分析了退火过程中材料表面形貌演变，表明结合适当的退火处理，可以消除低温生长中动力学引起的表面起伏，使得外延表面恢复平坦，从而为外延生长超出临界厚度的Ge1-xSnx薄膜提供可能。