硅基光电子集成和半导体量子计算是两大前沿研究领域。硅基光源的实现是硅基光电子集成的核心课题。将直接带隙的III-V族发光材料外延生长在CMOS工艺兼容的硅衬底上被认为是实现硅基光源集成的最优方案。硅衬底上外延生长III-V族材料面临三个问题:反相畴、晶格失配和热裂缝。半导体量子计算领域,基于高迁移率的应变硅量子阱制备电子自旋量子比特。硅具有较弱的核自旋和电子自旋轨道耦合强度,另外自然界中硅和锗可以经过同位素提纯后消除核自旋,容易获得更长的自旋弛豫时间和量子退相干时间。基于高迁移率的应变锗量子阱制备空穴自旋量子比特,空穴自旋相对电子自旋更不容易被核自旋影响,退相干时间长。自旋轨道耦合强,可用电偶极自旋操控实现全电学操控。为了获得性质优良的应变硅和应变锗量子阱三明治结构,材料方面需要生长硅基低缺陷密度和高平整度的Si0.7Ge0.3薄膜和Si0.2Ge0.8薄膜。本论文主要研究的三项工作分别是:硅基外延生长高质量的砷化镓薄膜、Si0.7Ge0.3薄膜和Si0.2Ge0.8薄膜。论文第一章节介绍两大研究背景,课题研究所需材料生长与位错表征的基础知识。第二章节介绍实验过程中用到的仪器设备包括分子束外延及透射电镜样品制备等。第三章节首先综述了以往硅衬底外延生长砷化镓薄膜的方法,然后提出了一种新的方法。通过在图形衬底Si（001）上外延锗,研究了锗晶面演化规律,失配位错的分布,然后构建{113}晶面锯齿状孔洞结构。结合XRD、TEM、AFM分析,证明了该结构可有效解决晶格失配、反相畴问题,有效缓解热失配问题。经优化后的砷化镓薄膜穿透位错密度可以降低到10~6/cm~2量级。在硅锗基上生长仅400 nm厚的砷化镓薄膜上生长的In As/Ga As量子点实现了室温高效发光。第四章节首先介绍了应变硅结构中电子散射机制并按时间顺序综述了应变硅量子阱材料结构的研究发展,然后提出了一种生长Si0.7Ge0.3薄膜的新方法,并建立了利用原子力显微镜快速无损表征穿透位错和堆垛层错的方法。在微纳加工制作的图形衬底上,通过低温生长并结合超晶格结构的应变场作用让位错滑移至平台侧沿得到终止,使得平台上Si0.7Ge0.3薄膜穿透位错密度从10~8/cm~2量级降低到10~6/cm~2,薄膜平整度仅0.1-0.2 nm左右。此外,基于微电子所提供的硅基硅锗虚拟衬底,介绍了应变硅量子阱电子气低温迁移率达到3.12×10~5 cm~2/Vs的相关工作。论文第五章综述了二维锗空穴气和锗薄膜材料的生长方法并介绍了我们生长硅基锗薄膜的新方法。此外,基于硅基锗薄膜材料,对比了不同锗薄膜质量和不同锗组分渐变速率对Si0.2Ge0.8薄膜质量的影响,实现Si0.2Ge0.8薄膜10~7/cm~2量级穿透位错密度。论文最后是总结和致谢。本论文主要的创新点和研究成果如下:1.在CMOS工艺兼容的硅衬底上实现高质量砷化镓薄膜。通过构建图形硅衬底上锗{113}晶面组成的锯齿状孔洞结构,结合透射电镜表征和电子通道衬度成像证明了该结构可有效解决晶格失配问题;结合球差电镜加图像处理,实现了Ga元素和As元素的原子分辨,观察到了反相畴在界面处的湮灭,证明该结构可有效解决反相畴问题;通过高分辨的三轴晶倒易空间mapping,实现了锗中间层和400 nm砷化镓层的应变分析,证明了该结构可有效缓解热裂缝问题。通过优化,最终获得了10~6/cm~2量级穿透位错密度的高质量硅基砷化镓薄膜。2.在硅图形衬底上制备了高质量Si0.7Ge0.3薄膜材料。在图形化衬底上利用应变超晶格使位错终止在平台结构的侧壁,实现了图形衬底中心区域穿透位错密度在10~6/cm~2量级、平整度小于0.3 nm的Si0.7Ge0.3薄膜,而且建立了利用原子力显微镜快速无损表征薄膜的穿透位错的方法。3.高质量的应变硅二维电子气。在微电子所提供的硅基Si0.75Ge0.25薄膜上制备迁移率高达3.12×10~5 cm~2/Vs的二维电子气样品,填补了国内硅高迁移率二维电子气的空白。4.高质量、高平整度硅基锗薄膜制备。通过分子束外延制备锗薄膜穿透位错密度10~6/cm~2,表面均方根粗糙度低于0.4 nm。基于该硅基锗薄膜生长的Si0.2Ge0.8薄膜穿透位错密度10~7/cm~2,表面粗糙度低于1 nm,表面平整度达到目前报道的最好水平。