[科普中国]-分子束外延镀膜法

分子束外延镀膜法是一种半导体薄膜材料制备工艺。在超高真空下，从束源喷射炉中蒸发出来的不同组元的原子束或分子束喷射到加热的、清洁的且具一定晶向的单晶衬底表面上，与表面相互作用，外延生长单晶薄膜。

中国于1974年开始了分子束外延的研究，于1983年研制的设备投入正常运行，现已有Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型和Ⅳ型国产分子束外延设备以及CBE设备。1

发展历史分子束外延是在1958年首先采用三温度分立真空蒸发制备化学计量比的Ⅲ-Ⅴ族多晶薄膜，并于1968年改进了三温度法真空蒸发获得GaAs单晶薄膜的基础上发展起来的生长薄层、超薄层单晶的新技术。美国贝尔实验室在1968年用束流强度法研究了镓和砷在GaAs表面的反应动力学，为此方法奠定了理论基础。这种生长单晶薄膜的新技术，在1970年被称为分子束外延（MBE）。由于美国贝尔实验室的卓越工作，分子束外延在70年代获得迅速发展。目前，用分子束外延生长的片子，其组分、厚度、掺杂浓度的均匀性已可控制在±1%。外延层厚度已达原子层量级可控。

80年代以来，分子束外延根据所采用的Ⅲ族和Ⅴ族束源材料形态的不同又发展了气态源分子束外延（GSMBE）、金属有机物分子束外延（MOMBE）、化学束外延（CBE）。

中国于1974年开始了分子束外延的研究，于1983年研制的设备投入正常运行，现已有Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型和Ⅳ型国产分子束外延设备以及CBE设备。中国MBE生长的材料包括了Ⅲ-Ⅳ，Ⅱ-Ⅵ，Ⅳ-Ⅳ，Ⅳ-Ⅵ，Ⅲ-Ⅴ/Ⅳ族薄层、超薄层材料，并研制出HEMT、HBT、MESFET、QWLD、PIN探测器等。2

特点分子束外延镀膜法具有如下特点：（1）可以采用超高真空仪器（高能电子衍射仪、俄歇电子能谱仪）对外延层的表面结构和表面能级进行在位实时观测，及时充分地了解生长过程中的多种信息，直接切实地控制外延层质量。（2）根据高能电子衍射强度的周期性变化，可精确控制外延层厚度，精确度达到单原子层量级。（3）通过增加喷射炉，可生长多种组成和多种掺杂的单晶外延层。（4）通过改变束流强度比例，可生长组分变化和掺杂浓度变化的单晶外延层，这些变化可能是突变的或缓变的。（5）采用适当的掩蔽技术，可进行二维图形的选择生长。

应用情况分子束外延生长过程是动力学控制，均匀性好，界面陡且薄膜层厚可控，通过能带裁剪组合，诞生了人工合成超晶格量子阱材料、量子线材料和量子点材料，开拓了凝聚态低维物理（二维、一维、零维）研究领域，导致了超高速、超高频、量子阱光电器件的问世。用MBE生长的n-AlGaAs/GaAs调制掺杂的二维电子气迁移率已达10cm/（V·s）。AlGaAs/GaAs高电子迁移率晶体管（HEMT）、场效应晶体管（MESFET）、光盘用的激光器件已商品化进入市场。基于量子阱子能带间光跃迁效应的量子阱超晶格红外探测器材料已被认为是未来红外探测器的最佳材料。AlGaAs/GaAs、GeSi/Si、InAsSb/InSb量子阱红外探测器已问世。MBE生长的Ⅲ-Ⅵ族蓝光发射器件（LED，LD）也已问世。MBE技术不仅广泛用于生长半导体薄层、超薄层材料，包括Ⅲ-Ⅴ族、Ⅱ-Ⅵ族、Ⅳ族、Ⅳ-Ⅳ族、Ⅳ-Ⅵ族以及Ⅲ-Ⅴ/Ⅳ族，而且被应用于生长绝缘层材料、超导材料。

本词条内容贡献者为:

陈红 - 副教授 - 西南大学