未来信息技术发展的必由之路是实现微电子技术和光子学技术的融合,而目前世界上90%以上的电子器件和电路都是以硅为基础的,技术的发展迫切的需要实现Si基光电集成。然而硅间接带隙半导体材料的属性成为硅基光电集成的主要障碍。目前,能够在室温实现高效、可控激光的III-V族化合物半导体材料与器件由于其制备工艺与传统的CMOS器件工艺不兼容,难以满足光电集成的要求。在锗中引入一定组分的锡以形成IV族半导体Ge_1-xSn_x合金,可使其带隙在0至0.67eV之间连续可调。另外,Ge_1-xSn_x合金由于高载流子迁移率,成为光电器件与高速CMOS器件集成的一个理想材料平台。以Ge_1-xSn_x合金为增益介质的LED作为新一代光电集成领域的新型高效固体光源,将在未来IC产业中将发挥举足轻重的作用。本文以Ge_1-xSn_x合金的基本物理性质为出发点,讨论了Ge_1-xSn_x合金在光电领域的应用。基于密度泛函-紧束缚近似法和赝势法,利用Material Studio软件对体Ge材料及具有不同Sn组分的Ge_1-xSn_x合金的能带结构进行仿真计算。与体Ge材料相比,Ge_1-xSn_x合金表现出明显的带隙收缩现象,这意味着以Ge_1-xSn_x合金作为有源层的发光器件具有更高的辐射复合率和发光效率。当Sn组分为10%左右时,锗锡合金由间接带隙材料转变为直接带隙材料。此外,Ge_1-xSn_x合金与Si同属IV族材料,可以与传统成熟的Si基CMOS工艺兼容。因此,Ge_1-xSn_x合金在光电集成领域有很好的前景,能够满足未来单片集成、低功耗的要求。基于Ge_1-xSn_x合金材料和光电集成系统中红外LED的研究,本文设计了一种具有红外Ge_1-xSn_x双异质结结构的PIN发光二极管。利用TCAD仿真软件对该器件的光电特性进行仿真研究。结果表明,锗锡LED具有良好的光电特性与明显清晰的电致光谱响应。同时,器件P/N区掺杂浓度、锗锡本征层厚度和Sn组分等关键参数对性能有重要影响。其中,为了获得足够好的I-V输出特性、足够高的输出功率和足够大的光谱功率密度,LED器件P/N区需要采用重掺杂的设计以满足实际器件应用的需求;在一定数值范围内,锗锡本征层厚度与I-V输出特性、输出功率和光谱功率密度正相关,即厚度的增加可以获得更好的特性,而当本征层厚度超过这一范围时,这些特性的指标与厚度负相关。因此,优化器件性能需要选择适宜的本征层厚度;一般而言,Sn组分大的器件具有更好的I-V输出特性、更高的输出功率和更大的光谱功率密度,特别是当Sn组分达到10%左右时,Ge_1-xSn_x合金从间接带隙材料转变为直接带隙材料,这大大增加了器件的光电转换效率。通过对边缘发射型LED和垂直发射型LED进行仿真对比发现,边缘发射型LED具有更好的电学特性,而垂直发射型LED则具有更好的光学特性,因此在器件实际应用过程中,应根据需要选择合适类型的器件。