一种化合物半导体柔性碳基膜及其制备方法，包括以下步骤：S1、将含有苯基的酐与二胺杂化得到热塑性聚酰亚胺树脂前驱体；S2、使用所述热塑性聚酰亚胺树脂前驱体制备聚酰亚胺薄膜；S3、对聚酰亚胺薄膜碳化黑铅化，并对聚酰亚胺薄膜掺杂纳米金属，进行离子注入和离子交换，其中，使膜中的纳米单斜晶体相变为四方晶体，并由单晶变为超晶格；S4、对步骤S3得到的材料进行高温退火处理，生成超柔韧的超薄化合物半导体膜。本发明提供了高性能、超柔韧、超薄层微结构的化合物半导体材料。