分子束外延

分子束外延（MBE）是一种用于单晶薄膜沉积的外延方法。 MBE 广泛用于制造包括晶体管在内的半导体器件，它被认为是纳米技术发展的基本工具之一。 MBE 用于制造微波频率的二极管和 MOSFET（MOS 场效应晶体管），以及制造用于读取光盘（如 CD 和 DVD）的激光器。

MBE 工艺的原创理念首先由 Günther 提出。 他沉积的薄膜不是外延的，而是沉积在玻璃基板上。 随着真空技术的发展，Davey和Pankey展示了MBE工艺，他们使用Günther的方法成功地在单晶GaAs衬底上生长了GaAs外延薄膜。 MBE 薄膜的主要后续发展得益于 J.R. Arthur 对生长机制动力学行为的研究以及 Alfred Y. Cho 在 1960 年代后期使用 RHEED 对 MBE 过程的原位观察。

分子束外延发生在高真空或超高真空 (10−8–10−12 Torr) 中。 MBE 最重要的方面是允许薄膜外延生长的沉积速率（通常低于每小时 3,000 纳米）。 这些沉积速率需要相应更好的真空度才能达到与其他沉积技术相同的杂质水平。 没有载气，以及超高真空环境，导致生长的薄膜可达到最高纯度。

在固体源 MBE 中，超纯形式的镓和砷等元素在单独的准克努森积液池或电子束蒸发器中加热，直到它们开始缓慢升华。 气态元素然后凝结在晶圆上，在那里它们可以相互反应。 在镓和砷的例子中，形成了单晶砷化镓。 当使用铜或金等蒸发源时，撞击表面的气态元素可能会被吸附（在撞击原子将在表面周围跳跃的时间窗之后）或被反射。 表面上的原子也可能解吸。 控制源的温度将控制材料撞击基材表面的速率，而基材的温度将影响跳跃或解吸的速率。 由于原子的平均自由程较长，因此术语“束”意味着蒸发的原子在到达晶圆之前不会相互影响或与真空室气体发生影响。

在操作过程中，反射高能电子衍射 (RHEED) 通常用于监测晶体层的生长。 一台计算机控制每个炉子前面的百叶窗，可以精确控制每一层的厚度，精确到单层原子。 不同材料层的复杂结构可以通过这种方式制造。 这种控制允许开发可以将电子限制在空间中的结构，从而提供量子阱甚至量子点。 这些层现在是许多现代半导体器件的关键部分，包括半导体激光器和发光二极管。

在需要冷却基板的系统中，生长室内的超高真空环境由低温泵和低温板系统维持，使用液氮或冷氮气冷却至接近 77 开尔文（-196 摄氏度）的温度 ). 冷表面充当真空中杂质的吸收槽，因此真空水平需要好几个数量级才能在这些条件下沉积薄膜。 在其他系统中，生长晶体的晶圆可以安装在旋转盘上，在运行期间可以加热到几百摄氏度。

分子束外延 (MBE) 也用于沉积某些类型的有机半导体。 在这种情况下，分子而不是原子被蒸发并沉积到晶圆上。 其他变体包括类似于化学气相沉积的气源 MBE。

MBE 系统也可以根据需要进行修改。 例如，氧气源可以用于沉积氧化物材料，用于先进的电子、磁性和光学应用，以及用于基础研究。 在这里，氧化剂的分子束用于实现多组分氧化物的所需氧化态。

分子束外延最成功的成就之一是纳米结构，它允许形成原子级平坦和陡峭的异质界面。 这种结构在扩展物理学和电子学知识方面发挥了前所未有的作用。 最近，纳米线的构造和内置在其中的量子结构允许信息处理，并可能与用于量子通信和计算的片上应用程序集成。 这些异质结构纳米线激光器只能使用先进的 MBE 技术构建，允许单片集成。