分子束外延技術

分子束外延，就是在超高真空系統中把所需要的結晶材料放入到噴射爐中，將噴射爐加熱。使結晶材料形成分子束，從爐中噴出後，沉積在温度保持在幾百度的單晶基片上。如果設置幾個噴射爐，就可以製取多元半導體混晶，又可以同時進行摻雜。由於採用四極質譜儀對分子束的強度、相對比進行監控，並將測到的信息反饋到各個噴射爐，就可以精確地控制結晶生長。如果再裝上高能電子衍射儀及其他分析儀器，則可以進行沉積系統中結晶生長過程的研究。

利用分子束外延不僅製取了雙質結激光器、三維介質集成光波導，還可以用此法使二種光波導重疊地生長在同一基片上，製成了從一個波導移向另一個波導的錐形輞合器，其耦合係數接近於100%。

MBE法與其他液相、氣相外延生長法相比較，其特點是，

①分子束外延生長是在超高真空下進行的，殘餘氣體對膜的污染少，可保持極清潔的表面。

②生長温度低，如生長GaAs只有500~600℃，Si只有500℃。

③生長速度慢，(1~10μm/h)。可生長超薄(幾個μm)而乎整的膜，膜層厚度、組分和雜質濃度均可進行精確地控制。

④可獲得大面積的表面和界面有原子級平整度的外延生長膜。

⑤在同一系統中，可原位觀察單晶薄膜的生長過程，可以進行生長機制的研究。

外延生長的缺點是時間長，大批量生產性差，對真空條件要求高。

1、外延温度

為了引起外延，基片的温度應達到某一温度值，即有必要加熱到外延温度以上，當温度低於外延温度時則不能引起外延。而且外延温度還與其他條件有關，不同條件下的外延温度是不同的。

2、基片結晶的臂開

在過去的常規研究方面，基片結晶是在大氣下臂開(機械折斷產生結晶面)而後放入真空裝置中來製取外延單晶膜。已經研究了晶面一旦臂開就立刻進行制膜的方法。由於這兩種方法不同，其外延温度也有所不同。基片結晶在真空下臂開而引起的處延臨界温度的不同值，如圖1所示。

3、壓力的影響

在10^-3Pa真空度下，臂開的表面，在1秒鐘時間內即可被殘餘氣體的單原子層所覆蓋，若在10^-5~10^-7Pa真空條件下臂開而立即進行蒸鍍，則外延温度應當更進一步地降低，但實驗表明，並非如此。如M和A，在高真空下進行外延蒸鍍與在超高真空下進行外延蒸鍍，其結果並沒有多少差別。然而，cu、Ag、Au在超高真空下，使(001)面同基片相平行，則很難生成單晶膜，這説明對Cu、Ag、Au進行外延蒸鍍時，基片表面還需要進行適當的污染。 ^[1] 

4、蒸發速度影響

如果降低蒸發速度，外廷温度Te也降低，如圖2所示，在NaCl上面蒸鍍外延Au時，NaCl上面的平行方位的蒸鉸速度降低，就可以在較低的基片温度下進行晶體外延。

MBE裝置由樣品進樣室、預處理分析室和牛K竄等組成。竄間用閘扳閥隔開，以確保生長室的超高真空與清潔。

根據MBE系統的幾何結構相應地配置真空系統。根據要求，3個室的真空配置的配置泵的系統並非一樣：

(1)進樣室。真空度為1.33 x10-6~1 33 x10^-8Pa。在l 33×10^-6~1.33×10^-7Pa段用吸附泵或渦輪分子加離子泵；1.33×10^-7Pa時用渦輪分子泵；1.33 x 10^-8Pa時用渦輪分子泵或其他泵加閉路循環液氮低温泵。

(2)預處理分析室。真空度為1 33×10^-8Pa，由400L/s抽速的離子泵獲得。

(3)生長室。真空度為1.33 x 10^-9Pa。要按生長室的容積大小和所用的生長材料的陣質來配置。用大抽速帶冷阱的特種油擴散泵、大抽速渦輪分子泵、太抽速閉路循環液氮低温泵、大抽速離子泵等四種泵為主泵，再輔以鈦昇華泵。 ^[2] 

分子束外延自20世紀60年代末在真空蒸鍍的基礎上產生以來，發展十分迅速。其中之一是引入氣態的分子束源，構成所謂化學束外延(CBE)。用砷烷(AsH3)和磷烷(PH₃)生長InGaAsP等四元材料，或將金屬有機化合物引入分子束源形成所謂金屬有機化合物分子束外延(MOMBE)。這兩項新技術是把MBE和發展很快的金屬有機化合物氣相沉積(MOCVD)技術相結合，進一步改進了MBE的生長和控制能力。

把分子束外延和脈衝激光結合起來，發展成所謂激光分子束外延(L-MBE)技術。它是用激光照射靶來代替分子(原子)束源，更容易實現對蒸發過程精確的控制，顯示了比常規分子束外延更加廣闊的應用前景。

分子束外延可能的應用領域由：在高温超導薄膜和器件的研究和應用方面將由於L-MBE能夠人工控制原子層的有秩序堆積，可以外延生長髮揮重要作用，出含有幾個原子層組成絕緣層(I)的YBCO/I/YBCO夾心結構，具備研製三層夾心型超導隧道結的條件； 外延生長含有低熔點、易揮發的多元化合物半導體薄膜，在精確調整化合物成分比以便調節隙寬度方面具有優勢；人工合成具有特殊層狀晶體結構的新型材料，探索新型高温超導體或具有特殊性質的新材料；激光分子束外延在研究和發展多元金屬間化合物、亞穩態材料方面也可能有應用的前景。 ^[3]