20世纪40年代以来,信息科技取得了惊人的进步。以电子作为信息载体的硅基超大规模集成电路技术经过大半个世纪的发展,已然十分成熟并成为当今信息社会的一大基石。与此同时,以光子为信息载体的光通信和光信息技术也得到了迅猛的发展,并在高速率、宽带、强抗干扰能力等方面表现出了巨大的优势。于是,通过光电集成将电信息技术和光信息技术的优势结合在一起便成为人们努力追寻的梦想。目前,硅基无源光子器件以及硅基光探测器等硅基光电子器件的研制已经取得了重要的进展,但由于硅材料间接带隙特性等因素的影响,硅基激光器的研究进展比较缓慢。选用硅基GaAs等硅基Ⅲ-Ⅴ族材料系研制硅基激光器是一个极具竞争力的方案,而且硅基量子点激光器的研制已经取得了令人振奋的成功,然而硅基量子阱激光器等对于异质外延材料质量有着更高要求的器件制备则仍在艰苦的探索之中。在此背景下,本论文工作围绕国家项目和北京市课题的任务要求开展了高质量硅基Ⅲ-Ⅴ族半导体材料外延生长的研究,并取得了一些有意义的进展。同时,本论文工作还包含了对超注入效应中电子输运理论模型的完善。超注入效应是异质结构物理学创立者阿尔费罗夫先生发现的,是半导体异质结构激光器赖以实现室温连续运转的最重要的、事实上起了决定性作用的基本效应之一,自然也是硅基激光器性能改进需要考虑的因素之一。该效应的发现是半导体异质结构激光器发展史上一个里程碑式的事件。不过,值得注意的是,作为实验物理学家,阿尔费罗夫先生仅仅是依据稳态载流子分布规律得出相应结论的,而未曾涉及具体的注入过程,因而未曾建立相应的伏安特性理论模型。尽管后来有人对这一问题进行了研究,但迄今为止,所有的理论模型都还未能对上述伏安特性作出令人满意的、合理的诠释。本论文的这部分工作得益于阿尔费罗夫先生的鼓励和启发,得到了自然科学基金项目的支持并取得了实质性进展,具有重要的学术价值,同时对于高性能硅基Ⅲ-Ⅴ族半导体激光器的制备具有指导意义。本论文工作的主要成果和创新点如下:1.在实验室前期有关高质量异质兼容外延生长的一系列研究成果的基础上,进一步拓展思路,开展了有关位错密度与台面线度之间相关性的研究,构建了一个基于台面线度和位错密度相关性的大失配异质兼容外延生长工艺优化理论模型。这一构建工作包含两个部分:其一,构造了适当的、包含足够多个参量的、用以解析地表达相关性演化规律的函数形式;其二,提出了一套包含具体判据的相关性评价方法,并给出了相应的工艺优化指导性原则。继之,依据已报道过的针对Ge/Si异质兼容材料组合得到的相关实验数据验证了上述理论模型的可行性。2.在提出基于位错密度与台面线度相关性的大失配异质兼容外延生长优化方法的基础上,为了依据该方法进一步提升Si基GaAs外延层材料的质量,已采用MOCVD设备和结合循环退火的三步法,在一系列具有不同台面线度的Si台面基底上制备了 GaAs外延层,并开展了相应的测试工作,取得了 XRD、PL、AFM等部分测试结果,观察到了减小台面线度对于提高外延层质量的显著的正面影响。遗憾的是,由于实验室改建以及近来疫情的影响,测试工作未能全部完成。相信在全部实验完成之后,可以得出更为明确和有意义的结论。3.实验室前期采用无定形硅缓冲层与三步法相结合的方案进行了 Si基GaAs外延层材料的生长,并获得了外延层位错密度为1.5 × 105cm-2的实验结果。在本论文工作期间,采用不同的MOCVD设备,对于这一方法的可重复性进行了实验验证。已完成的XRD、PL、AFM等测试表明,本次制备的外延层材料质量与实验室前期采用该方法获得的材料质量相当,这表明在Si基GaAs外延层生长过程中引入无定形硅缓冲层的方案是一个有较强竞争力的方案。同样是由于实验室改建及近期疫情的原因,这一工作还有待深入。4.开展了对于超注入电子输运理论模型的研究。发现了现有的三种超注入电子输运理论模型(即Anderson扩散模型、热电子发射模型和隧穿模型)存在的若干关键问题,针对这些模型的不足之处进行了说明和修正,并基于新的、原创性的认识对这些模型进行了拓展。所作修正和拓展包括:纠正了推导能量超过势垒尖的电子浓度时的一个有关积分运算的错误;考虑了异质结构界面处势垒尖峰形状对于电子浓度及电子输运特性的影响;具体地深化了 Anderson扩散模型和热电子发射模型中有关电子跨越势垒尖峰的透射率的认识,并对相应的表达式进行了修正;纠正了热电子发射模型中简单地用热电子发射机制取代扩散运动机制的片面认识,通过汲取Anderson扩散模型和热电子发射模型各自所包含的合理成分并扬弃其中的认知缺陷,将二者有机地结合了起来;首次提出了“内禀发射”的概念,揭示了内禀发射速度对异质结构电子注入特性的影响;同时,依据新的认识建立了涉及隧穿效应的超注入电子输运模型;最终建立了综合考虑扩散效应、热电子发射效应、内禀发射效应的和隧穿效应的完备的超注入电子输运模型。这一工作解决了超注入效应中所包含的、悬疑已久的若干基本科学认识问题,从而更为科学、合理地诠释了超注入效应。