新型半导体薄膜正从两条途径向红外波段和太赫兹波段迈进，即从射频、微波、毫米波、太赫兹到中远红外，从紫外光、可见光、近红外、中远红外到太赫兹波段。在同一半导体晶圆上光、电、磁、波器件大集成与微电路系统的互联，可能是以后发展的方向，也有可能成为未来国际该领域的热点。外延生长大尺寸晶圆级优秀红外与太赫兹波段半导体功能薄膜、原位实现器件阵列集成、并互联成集成电路是近期国际研究比较热点的问题。控制大尺寸硅晶圆上异质外延半导体薄膜的位错密度，突破掺杂半导体薄膜红外和太赫兹波段频率上限，探索4英寸以上晶圆级红外与太赫兹波段信息探测与调制阵列器件工艺，成为这一领域的技术瓶颈。本论文正是基于上述科学问题、国际关注热点和技术瓶颈开展工作的，具体在如下几个方面取得进展：　　1.探索了UHV/CVD和MBE方法生长大尺寸半导体晶圆级Ge1-xSnx、Ge1-xBix薄膜过程机制，通过对UHV/CVD和MBE两种先进生长方法的物理及化学成膜机制分析，真空室气体分子的扩散、分布、混合模拟，薄膜在衬底表面的理化反应探索，大尺寸薄膜厚度及成份均匀性模拟计算等，获得了一些较为重要的结果，可以指导后续优质GeSn、GeBi薄膜晶圆的生长，也为GeR系半导体光电薄膜的应用打下了材料基础。　　2.提出内插入低温生长Ge或Si超材料柔性图案膜层来制备高弛豫模拟缓冲层的思想，建立超材料柔性图案单元及阵列理论模型，通过理论模拟找到超材料图案单元最佳尺度和工艺参数，并采用MBE与UHV/CVD系统在低衬底温度下生长制备出,通过控制内插入超材料层单元纳米尺寸(过程和退火)，改变 Si1-xGex和Ge1-xSnx外延层中Ge、Sn的含量x，以及变化薄膜厚度来调制位错密度和弛豫度。制备膜层的弛豫度大于94%，能完全把外延层薄膜和后续外延的薄膜张应力释放到内插入超材料膜中；化学腐蚀位错坑法EPD和AFM分析知道薄膜在退火后位错密度在5.0×105/cm2和8.0×105/cm2之间，粗糙度0.4和2.0 nm之间。这样的模拟缓冲层薄膜应变弛豫度高、位错密度低、表面粗糙度小、缓冲层总体薄等，完全可以外延出高质量的Ge1-xRx系列薄膜，制备出低暗电流密度的红外探测器。　　3.首次设计和外延出3-5英寸晶圆级红外兼太赫兹双波段光电半导体薄膜材料，采用 UHV/CVD和 MBE两种方法在 p型硅衬底上原位两步法生长出100 nm-200 nm优良Ge1-xSnx单晶薄膜。系统地研究了两步法生长、原位退火、衬底温度、薄膜厚度、Sn含量、氧化等因素对大尺寸半导体薄膜微结构、直接带隙、膜内应力、中远红外、太赫兹波段性能的影响，可控制薄膜粗糙度在0.4-1.0 nm之间，氧化率小于0.1%，发现薄膜在0.8μm-2.6μm波段和0.1-1.6 THz波段有着明显的宽带吸收和透射窗口，薄膜中红外光响应度达0.367-0.486A/W，远红外光响应度值达0.020 A/W-0.036 A/W，Sn含量8.2%以上薄膜中存在带隙应力的，诱导直接带隙在0.843 eV和0.860 eV之间。　　4.原创设计并外延生长出4英寸n型Ge1-xBix半导体红外兼太赫兹双波段薄膜，n型Bi掺杂的GeBi红外与太赫兹双波段薄膜采用MBE方法在低温衬底上（＜150℃）外延生长出，微结构分析发现薄膜中有占比相当高的非晶相以及少量的氧化物相存在，AFM和XPS测试证明高Bi含量样品中有Bi原子沉积析出。通过原位生长工艺改进、掺杂衬底的选择、薄膜成份调控、薄膜厚度优化等可以提高薄膜微结构和性能。拉曼谱测试发现薄膜Ge-Bi峰随Bi含量增大而向右漂移，证明带隙应变力存在于Bi含量10%以上的薄膜中，诱导了GeBi薄膜的直接带隙为0.854 eV(1446 nm)，将GeBi薄膜间接带隙变窄为0.640 eV(1932 nm)。测试发现在800 nm-2300 nm波段，薄膜光响应度为0.40(A/W)-0.20(A/W)，在4μm-15μm远红外区域，光响应度在0.03(A/W)-0.036(A/W)之间，在0.1-1.0 THz波段，随Bi含量变化薄膜具有吸收辐值和透射率可调特性。　　5.设计并制备出红外探测兼太赫兹波调制集成GeBi器件单元，并在4英寸晶圆上成功实现了芯片流片。Bi原子像N、P、As原子一样通过MBE金属源喷射掺杂并固溶成GeBi薄膜，掺杂浓度一般在4.80×1016-7.01×1017之间；掺杂的n型GeBi薄膜与p型Si衬底形成良好的[p-Si/n-GeBi]浅结，采用标准微电子工艺把该浅结制备成光电探测器和太赫兹波调制器，I-V特性、暗电流、红外光电流测试表明，这种GeBi薄膜PN浅结可以作为宽带红外探测器（800 nm-2300 nm波长）应用，其最小暗电流密度为2.133 mA/cm2(-1V偏压，尺寸100μm×50μm)，最大光响应度为0.80（A/W）、光电流密度为297.94 mA/cm2(-1V偏压，尺寸100μm×50μm)；PN结同时可作为太赫兹波段信号调制器应用，测试表明其最大调制带宽为1.0THz之间，最大调制速率达到1 MHz，最大调制深度达15%。　　对MBE法生长的高Sn含量（大于8%）GeSn薄膜进行可控磷快速热扩散掺杂，掺杂深度在50 nm-180 nm之间、浓度为5.6×1016左右，掺杂薄膜形成良好的[n-GeSn/i-GeSn/p-Si]型PIN浅结；采用标准光刻工艺制备出窗口面积从π50×50μm2到π1000×1000μm2的PIN光电探测器和太赫兹调制器，器件I-V特性、暗电流、红外光电流测试证明其光电特性与i区厚度、n区掺杂深度有密切关系，探测器最佳厚度40nm，最佳掺杂深度80 nm左右，窗口面积从π100×100μm2到π500×500μm2的器件最小暗电流密度为0.10mA/cm2(-1V偏压)，光电流密度最大为0.78 mA/cm2（±1V偏压）和38 mA/cm2（±5V偏压）；窗口面积π1000×1000μm2的太赫兹调制器最佳i区厚度20 nm，掺杂深度50 nm左右，调制器带宽可达1.0 THz、调制深度26.7%、调制速率500 kHz。