本发明提供一种直接带隙Ge薄膜的制备方法及层叠结构，所述制备方法是首先在GaAs衬底上分别外延出InxGa1-xAs层和Ge层，其中，0.223﹤x≤1，并使InxGa1-xAs层的厚度不超过其生长在GaAs衬底上的临界厚度，使Ge层的厚度不超过其生长在InxGa1-xAs层上的临界厚度，以制备出Ge薄膜的样品；接着，对样品进行氦离子或氢离子注入，并使离子的峰值分布在所述InxGa1-xAs层与GaAs衬底相结合的界面下10nm～1000nm，然后对样品进行快速热退火以得到弛豫的InxGa1-xAs层和张应变Ge薄膜；依据InxGa1-xAs层的弛豫度得出InyGa1-yAs中In组分y，并在Ge层上外延出InyGa1-yAs层以减少样品中的缺陷密度，最后在InyGa1-yAs层上再外延顶层Ge薄膜，并使顶层Ge薄膜的厚度不超过其生长在所述InyGa1-yAs层上的临界厚度，以制备出直接带隙Ge薄膜。