分子束外延技术原理及应用
引言
外延是指在单晶基片上生长出位向相同的同类单晶体（同质外延），或者生长出具有共格或半共格联系的异类单晶体（异质外延）。外延方法主要有气相外延、液相外延和分子束外延。
气相外延主要就是化学气相沉积在单晶表面的沉积过程。将外延层所需的化学组分以气相的形式，通过物理或化学变化在衬底上进行的外延，这就是气相外延。
液相外延是将溶质放入溶剂中，在一定温度下形成均匀溶液，然后将溶液缓慢冷却通过饱和点（液相线）时，有固体析出而进行结晶生长的方法。生长晶体的驱动力是溶液的过饱和度。当衬底与溶液接触时，若溶液处于过饱和状态则会有溶质从溶液中析出。条件适宜时，析出的溶质就会在衬底上生长出外延层。
分子束外延（MBE）是将真空蒸镀膜加以改进和提高而形成的一种成膜技术，它在超高真空条件下，精确控制蒸发源给出的中性分子束流强，在基片上外延成膜的技术。分子束外延主要研究的是不同结构或不同材料的晶体和超晶格的生长。该法生长温度低，能严格控制外延层的层厚组分和掺杂浓度，但系统复杂，生长速度慢，生长面积也受到一定的限制。 分子束外延是50年代用真空蒸发技术制备半导体薄膜材料发展而来的。随着超高真空技术的发展而日趋完善，由于分子束外延技术的发展开拓了一系列崭新的超晶格器件，扩展了半导体科学的新领域，进一步说明了半导体材料的发展对半导体物理和半导体器件的影响。
分子束外延技术的原理与特点
分子束外延是一种在晶体基片上生长高质量的晶体薄膜的新技术。但因一般的真空蒸镀达不到半导体薄膜要求的高纯度、晶体的完整性和杂质的控制，因而限制了它在制备半导体薄膜方面的应用。
在超高真空条件下，由装有各种所需组分的炉子加热而产生的蒸气，经小孔准直后形成的分子束或原子束，直接喷射到适当温度的单晶基片上，同时控制分子束对衬底扫描，就可使分子或原子按晶体排列一层层地“长”在基片上形成薄膜。
MBE属于真空蒸镀的范畴，因此在制备半导体薄膜的方法上和其他的外延方法相比有着巨大的优势，具体表现如：
（1） 在超高真空下生长，污染较少，可生长出高纯度外延材料；
（2） 生长速度为一般为0.1～10个单原子层/s，通过挡板的快速开关可实现束流的快速切换从而达到外延层厚度、组分、掺杂的精确控制；
（3） 衬底温度低，可减少异质结界面的互扩散、易于生长突变结；
（4） MBE生长不是热平衡条件下进行的，可生长按普通热平衡方法难以生长的薄膜材料，易于生长多种新型材料；
（5） MBE生长为二维生长模型，使外延层的表面、界面具有原子级的平整度（RHEED强度周期性地对应于单分子层的厚度）；
（6） 高真空，可用多种表面分析仪器对外延生长过程进行实时原位监测并随时提供有关生长速度、外延层表面形貌、组分等各种信息，便于进行生长过程和生长机理的研究；
（7） MBE设备可与其他半导体工艺设备实行真空连接，使外延材料生长、蒸发、离子注入及刻蚀等在真空条件下连续进行，提高器件性能及成品率。
与此同时，这种外延技术也存在着一些不足之处，主要问题有以下几种：
（1） 表面形态的卵形缺陷，长须状缺陷及多晶生长；
（2） 难于控制两种以上V族元素，不利于批量生产；
（3） 生长时间长，表面缺陷密度大；
（4） 设备较为昂贵，分析仪器易受蒸气分子的污染。
分子束外延生产设备、参数
MBE设备由真空系统、蒸发源、监控系统和分析测试系统构成。蒸发源由几个克努曾槽型分子束盒构成。后者由坩埚、加热器、热屏蔽、遮板构成。分子束盒用水冷却，周围有液氮屏蔽。分子束加热和遮板的开闭是精确控制的关键。生长系统主要由以下几个部分组成：进样室、预处理室（衬底存储室）和生长室。监控系统由四极质谱仪（其作用是：真空度检测，监测残余气体和分子束流的成分）、电离计（其作用是：测量分子束流量）、电子衍射仪（观察晶体表面结构以及生长表面光洁平整度）和俄歇谱仪（其作用是：检测表面成分、化学计量比和表面沾污等）等四种仪器构成。
下图是一种计算机控制的分子束外延生长装备示意图。这种早期使用的装置为单室结构。现在的MBE设备一般都是生长室、分析室和基片交换室的三室分离型设备。
现以GaAs为例说明MBE法制备Ⅲ—Ⅴ族半导体单晶膜的工艺：对经过化学处理的GaAs基片，在10-8Pa的超真空下用As分子束碰撞，经过1min加热，基片温度达到650℃，获得清洁的表面，生长温度可选择在500至700℃；Ga和As分子束从分子束盒射至基片上，形成外延生长；分子束强度按一定关系求得，并用设置在分子束路径上的四级质量分析仪检测，调节分子束盒的温度和遮板开闭。
上图是浙江大学光电研究所所引进的MBE设备的实物图,该设备可以在各种衬底材料上实现各种材料薄膜的外延生长，可实现分子自组装、超晶格、量子阱、一维纳米线等工艺实施。分子束外延薄膜生长设备具有超高的真空环境，可在理想的环境下进行薄膜外延生长，它可以排除薄膜在生长时的各种干扰因素，得到理想的高精度薄膜。
依分子束外延技术制备Hg1xCdxTe薄膜，在制备过程中薄膜的厚度和组分如下表所示：
分子束外延的影响因素及相关分析
生长温度：以A1N为例说明生长温度对外延的影响，随着生长温度的提高，RHEED条纹更加纤细、更加细锐；在低温下，A1N表面有密集的小岛状晶粒结构，但随着温度的升高，小岛之间开始聚合，并形成大范围的原子力台阶，表明A1N薄膜在高温下有良好的二维生长模式；（002）和（102）面XRD半高宽结果进一步表明A1N薄膜的二维生长模式，且在高温下，A1N薄膜中的刃型位错密度大大减小。说明提高生长温度有助于提高A1N薄膜的晶体质量，获得平坦的表面。
衬底温度：现以InGaAs材料为例加以说明，衬底温度直接决定了InGaAs材料制备过程中In原子在界面间的渗析和In原子在外延层表面迁移，影响了IhGaAs外延材料的生长模式；生长速率影响着InGaAs外延层的质量。实验结果表明，通过调整衬底温度和生长速率，在衬底温度为500℃，生长速率为1200nm／h时，制备出的样品结晶质量和表面形貌最好。
掺杂剂：现以硅材料加以说明，大量掺杂剂的存在，将改变了硅的生长机制。在表面相中成团的吸附原子首先脱离此团，由于该过程相关联的激活能小于脱附激活能但大于表面扩散能，故原子脱离从而形成单个原子。原子一旦脱离孤立的组织，将向硅表面迁移，直到被一个较合适的扭折位置所容纳，其迁移过程受硅表面掺杂原子的扩散率所控制，掺杂原子将结合到台阶的扭折位置。
发展现状、趋势及应用
在超薄层材料外延生长技术方面，MBE的问世使原子、分子数量级厚度的外延生长得以实现，开拓了能带工程这一新的半导体领域。半导体材料科学的发展对于半导体物理学和信息科学起着积极的推动作用。它是微电子技术、光电子技术、超导电子技术及真空电子技术的基础。分子束外延技术的发展，推动了以GaAs为主的III—V族半导体及其它多元多层异质材料的生长，大大地促进了新型微电子技术领域的发展，造就了GaAs IC、GeSi异质晶体管及其集成电路以及各种超晶格新型器件。
特别是GaAs IC（以MESFET、HEMT、HBT以及以这些器件为主设计和制作的集成电路）和红外及其它光电器件，在军事应用中有着极其重要的意义。GaAs MIMIC（微波毫米波单片电路）和GaAs VHSIC（超高速集成电路）将在新型相控阵雷达、阵列化电子战设备、灵巧武器和超高速信号处理、军用计算机等方面起着重要的作用。
90年代中美国有50种以上整机系统使用MIMIC。所谓整机系统包括灵巧武器、雷达、电子战和通信领域。 在雷达方面，包括S、C、X、Ku波段用有源发射/接收(T/R)组件设计
制作的相控阵雷达；在电子战方面，Raytheon公司正在大力发展宽带超宽带砷化镓MIMIC的T/R组件和有源诱铒MIMIC；在灵巧武器方面，美国MIMIC计划的第一阶段已有8 种灵巧武器使用了该电路，并在海湾战争中得到了应用；在通信方面，主要是国防通信卫星系统（DSCS），全球（卫星）定位系统（GPS），短波超高频通信的小型倾向毫米波保密通信等。
以分子束外延技术所生产的光电器件在军事上也得到广泛的应用，现已成为提高各类武器和通信指挥控制系统的关键技术之一，对提高系统的生存能力也有着特别重要的作用。主要包括激光器，光电探测器，光纤传感器，电荷耦合器件(CCD)摄像系统和平板显示系统等。它们被广泛地应用于雷达、定向武器、制导寻的器、红外夜视探测、通信、机载舰载车载的显示系统以及导弹火控、雷达声纳系统等。而上述光电器件的关键技术与微电子、微波毫米波器件的共同之处是分子束外延，金属有机化合物汽相淀积等先进的超薄层材料生长技术。行家认为未来半导体光电子学的重要突破口将是对超晶格、量子阱（点、线）结构材料及器件的研究，其发展潜力无可估量。未来战争是以军事电子为主导的高科技战争，其标志就是军事装备的电子化、智能化。而其核心是微电子化。以微电子为核心的关键电子元器件是一个高科技基础技术群，而器件和电路的发展一定要依赖于超薄层材料生长技术如分子束外延技术的进步。
参考文献：1.姜银方《现代表面工程技术》·北京：化学工业出版社，2011
2．《分子束外延技术》·中国科学院半导体研究所·2008.11.05
3．杨邦朝、王文生《 薄膜物理与技术》·电子科技大学出版社·1994
4．周子新《分子束外延》 摘选自《半导体光电》·1984年第02期
5.图片、数据参数及其他参考文献均选自百度文库
分子束外延技术原理及应用
引言
外延是指在单晶基片上生长出位向相同的同类单晶体（同质外延），或者生长出具有共格或半共格联系的异类单晶体（异质外延）。外延方法主要有气相外延、液相外延和分子束外延。
气相外延主要就是化学气相沉积在单晶表面的沉积过程。将外延层所需的化学组分以气相的形式，通过物理或化学变化在衬底上进行的外延，这就是气相外延。
液相外延是将溶质放入溶剂中，在一定温度下形成均匀溶液，然后将溶液缓慢冷却通过饱和点（液相线）时，有固体析出而进行结晶生长的方法。生长晶体的驱动力是溶液的过饱和度。当衬底与溶液接触时，若溶液处于过饱和状态则会有溶质从溶液中析出。条件适宜时，析出的溶质就会在衬底上生长出外延层。
分子束外延（MBE）是将真空蒸镀膜加以改进和提高而形成的一种成膜技术，它在超高真空条件下，精确控制蒸发源给出的中性分子束流强，在基片上外延成膜的技术。分子束外延主要研究的是不同结构或不同材料的晶体和超晶格的生长。该法生长温度低，能严格控制外延层的层厚组分和掺杂浓度，但系统复杂，生长速度慢，生长面积也受到一定的限制。 分子束外延是50年代用真空蒸发技术制备半导体薄膜材料发展而来的。随着超高真空技术的发展而日趋完善，由于分子束外延技术的发展开拓了一系列崭新的超晶格器件，扩展了半导体科学的新领域，进一步说明了半导体材料的发展对半导体物理和半导体器件的影响。
分子束外延技术的原理与特点
分子束外延是一种在晶体基片上生长高质量的晶体薄膜的新技术。但因一般的真空蒸镀达不到半导体薄膜要求的高纯度、晶体的完整性和杂质的控制，因而限制了它在制备半导体薄膜方面的应用。
在超高真空条件下，由装有各种所需组分的炉子加热而产生的蒸气，经小孔准直后形成的分子束或原子束，直接喷射到适当温度的单晶基片上，同时控制分子束对衬底扫描，就可使分子或原子按晶体排列一层层地“长”在基片上形成薄膜。
MBE属于真空蒸镀的范畴，因此在制备半导体薄膜的方法上和其他的外延方法相比有着巨大的优势，具体表现如：
（1） 在超高真空下生长，污染较少，可生长出高纯度外延材料；
（2） 生长速度为一般为0.1～10个单原子层/s，通过挡板的快速开关可实现束流的快速切换从而达到外延层厚度、组分、掺杂的精确控制；
（3） 衬底温度低，可减少异质结界面的互扩散、易于生长突变结；
（4） MBE生长不是热平衡条件下进行的，可生长按普通热平衡方法难以生长的薄膜材料，易于生长多种新型材料；
（5） MBE生长为二维生长模型，使外延层的表面、界面具有原子级的平整度（RHEED强度周期性地对应于单分子层的厚度）；
（6） 高真空，可用多种表面分析仪器对外延生长过程进行实时原位监测并随时提供有关生长速度、外延层表面形貌、组分等各种信息，便于进行生长过程和生长机理的研究；
（7） MBE设备可与其他半导体工艺设备实行真空连接，使外延材料生长、蒸发、离子注入及刻蚀等在真空条件下连续进行，提高器件性能及成品率。
与此同时，这种外延技术也存在着一些不足之处，主要问题有以下几种：
（1） 表面形态的卵形缺陷，长须状缺陷及多晶生长；
（2） 难于控制两种以上V族元素，不利于批量生产；
（3） 生长时间长，表面缺陷密度大；
（4） 设备较为昂贵，分析仪器易受蒸气分子的污染。
分子束外延生产设备、参数
MBE设备由真空系统、蒸发源、监控系统和分析测试系统构成。蒸发源由几个克努曾槽型分子束盒构成。后者由坩埚、加热器、热屏蔽、遮板构成。分子束盒用水冷却，周围有液氮屏蔽。分子束加热和遮板的开闭是精确控制的关键。生长系统主要由以下几个部分组成：进样室、预处理室（衬底存储室）和生长室。监控系统由四极质谱仪（其作用是：真空度检测，监测残余气体和分子束流的成分）、电离计（其作用是：测量分子束流量）、电子衍射仪（观察晶体表面结构以及生长表面光洁平整度）和俄歇谱仪（其作用是：检测表面成分、化学计量比和表面沾污等）等四种仪器构成。
下图是一种计算机控制的分子束外延生长装备示意图。这种早期使用的装置为单室结构。现在的MBE设备一般都是生长室、分析室和基片交换室的三室分离型设备。
现以GaAs为例说明MBE法制备Ⅲ—Ⅴ族半导体单晶膜的工艺：对经过化学处理的GaAs基片，在10-8Pa的超真空下用As分子束碰撞，经过1min加热，基片温度达到650℃，获得清洁的表面，生长温度可选择在500至700℃；Ga和As分子束从分子束盒射至基片上，形成外延生长；分子束强度按一定关系求得，并用设置在分子束路径上的四级质量分析仪检测，调节分子束盒的温度和遮板开闭。
上图是浙江大学光电研究所所引进的MBE设备的实物图,该设备可以在各种衬底材料上实现各种材料薄膜的外延生长，可实现分子自组装、超晶格、量子阱、一维纳米线等工艺实施。分子束外延薄膜生长设备具有超高的真空环境，可在理想的环境下进行薄膜外延生长，它可以排除薄膜在生长时的各种干扰因素，得到理想的高精度薄膜。
依分子束外延技术制备Hg1xCdxTe薄膜，在制备过程中薄膜的厚度和组分如下表所示：
分子束外延的影响因素及相关分析
生长温度：以A1N为例说明生长温度对外延的影响，随着生长温度的提高，RHEED条纹更加纤细、更加细锐；在低温下，A1N表面有密集的小岛状晶粒结构，但随着温度的升高，小岛之间开始聚合，并形成大范围的原子力台阶，表明A1N薄膜在高温下有良好的二维生长模式；（002）和（102）面XRD半高宽结果进一步表明A1N薄膜的二维生长模式，且在高温下，A1N薄膜中的刃型位错密度大大减小。说明提高生长温度有助于提高A1N薄膜的晶体质量，获得平坦的表面。
衬底温度：现以InGaAs材料为例加以说明，衬底温度直接决定了InGaAs材料制备过程中In原子在界面间的渗析和In原子在外延层表面迁移，影响了IhGaAs外延材料的生长模式；生长速率影响着InGaAs外延层的质量。实验结果表明，通过调整衬底温度和生长速率，在衬底温度为500℃，生长速率为1200nm／h时，制备出的样品结晶质量和表面形貌最好。
掺杂剂：现以硅材料加以说明，大量掺杂剂的存在，将改变了硅的生长机制。在表面相中成团的吸附原子首先脱离此团，由于该过程相关联的激活能小于脱附激活能但大于表面扩散能，故原子脱离从而形成单个原子。原子一旦脱离孤立的组织，将向硅表面迁移，直到被一个较合适的扭折位置所容纳，其迁移过程受硅表面掺杂原子的扩散率所控制，掺杂原子将结合到台阶的扭折位置。
发展现状、趋势及应用
在超薄层材料外延生长技术方面，MBE的问世使原子、分子数量级厚度的外延生长得以实现，开拓了能带工程这一新的半导体领域。半导体材料科学的发展对于半导体物理学和信息科学起着积极的推动作用。它是微电子技术、光电子技术、超导电子技术及真空电子技术的基础。分子束外延技术的发展，推动了以GaAs为主的III—V族半导体及其它多元多层异质材料的生长，大大地促进了新型微电子技术领域的发展，造就了GaAs IC、GeSi异质晶体管及其集成电路以及各种超晶格新型器件。
特别是GaAs IC（以MESFET、HEMT、HBT以及以这些器件为主设计和制作的集成电路）和红外及其它光电器件，在军事应用中有着极其重要的意义。GaAs MIMIC（微波毫米波单片电路）和GaAs VHSIC（超高速集成电路）将在新型相控阵雷达、阵列化电子战设备、灵巧武器和超高速信号处理、军用计算机等方面起着重要的作用。
90年代中美国有50种以上整机系统使用MIMIC。所谓整机系统包括灵巧武器、雷达、电子战和通信领域。 在雷达方面，包括S、C、X、Ku波段用有源发射/接收(T/R)组件设计
制作的相控阵雷达；在电子战方面，Raytheon公司正在大力发展宽带超宽带砷化镓MIMIC的T/R组件和有源诱铒MIMIC；在灵巧武器方面，美国MIMIC计划的第一阶段已有8 种灵巧武器使用了该电路，并在海湾战争中得到了应用；在通信方面，主要是国防通信卫星系统（DSCS），全球（卫星）定位系统（GPS），短波超高频通信的小型倾向毫米波保密通信等。
以分子束外延技术所生产的光电器件在军事上也得到广泛的应用，现已成为提高各类武器和通信指挥控制系统的关键技术之一，对提高系统的生存能力也有着特别重要的作用。主要包括激光器，光电探测器，光纤传感器，电荷耦合器件(CCD)摄像系统和平板显示系统等。它们被广泛地应用于雷达、定向武器、制导寻的器、红外夜视探测、通信、机载舰载车载的显示系统以及导弹火控、雷达声纳系统等。而上述光电器件的关键技术与微电子、微波毫米波器件的共同之处是分子束外延，金属有机化合物汽相淀积等先进的超薄层材料生长技术。行家认为未来半导体光电子学的重要突破口将是对超晶格、量子阱（点、线）结构材料及器件的研究，其发展潜力无可估量。未来战争是以军事电子为主导的高科技战争，其标志就是军事装备的电子化、智能化。而其核心是微电子化。以微电子为核心的关键电子元器件是一个高科技基础技术群，而器件和电路的发展一定要依赖于超薄层材料生长技术如分子束外延技术的进步。
参考文献：1.姜银方《现代表面工程技术》·北京：化学工业出版社，2011
2．《分子束外延技术》·中国科学院半导体研究所·2008.11.05
3．杨邦朝、王文生《 薄膜物理与技术》·电子科技大学出版社·1994
4．周子新《分子束外延》 摘选自《半导体光电》·1984年第02期
5.图片、数据参数及其他参考文献均选自百度文库