分子束外延法（分子束外延法）

名称

分子束外延 英文名称：Molecular Beam Epitaxy

定义

分子束外延是一种新的晶体生长技术，简记为MBE。其方法是将半导体衬底放置在超高真空腔体中，和将需要生长的单晶物质按元素的不同分别放在喷射炉中（也在腔体内）。由分别加热到相应温度的各元素喷射出的分子流能在上述衬底上生长出极薄的（可薄至单原子层水平）单晶体和几种物质交替的超晶格结构。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。分子束外延的优点就是能够制备超薄层的半导体材料；外延材料表面形貌好，而且面积较大均匀性较好；可以制成不同掺杂剂或不同成份的多层结构；外延生长的温度较低，有利于提高外延层的纯度和完整性；利用各种元素的粘附系数的差别，可制成化学配比较好的化合物半导体薄膜。

特点

分子束外延与其他外延方法相比具有如下的特点：1）源和衬底分别进行加热和控制，生长温度低，如GaAs可在500摄氏度左右生长，可减少生长过程中产生的热缺陷及衬底与外延层中的杂质的扩散，可得到杂质分布陡峭的外延层；2）生长速度低，可以利用快门精密的控制掺杂、组合和厚度，是一种原子级的生长技术，有利于生长多层异质结构；3）MBE生长不是在热平衡条件下进行的，是一个动力学过程，因此可以生长一般热平衡生长难以得到的晶体；4）生长过程中，表面处于真空中，利用附设的设备可以进行原位（即时）观测，分析、研究生长过程、组分、表面状态等。

技术

晶体生长技术；化学束外延；半导体材料技术

难点

分子束外延作为已经成熟的技术早已应用到了微波器件和光电器件的制作中。但由于分子束外延设备昂贵而且真空度要求很高，所以要获得超高真空以及避免蒸发器中的杂质污染需要大量的液氮，因而提高了日常维持的费用。

MBE能对半导体异质结进行选择掺杂，大大扩展了掺杂半导体所能达到的性能和现象的范围。调制掺杂技术使结构设计更灵活。但同样对与控制、平滑度、稳定性和纯度有关的晶体生长参数提出了严格的要求，如何控制晶体生长参数是应解决的技术问题之一。

MBE技术自1986年问世以来有了较大的发展，但在生长III-V族化合物超薄层时，常规MBE技术存在两个问题：1.生长异质结时，由于大量的原子台阶，其界面呈原子级粗糙，因而导致器件的性能恶化;2.由于生长温度高而不能形成边缘陡峭的杂质分布，导致杂质原子的再分布（尤其是p型杂质）。其关键性的问题是控制镓和砷的束流强度，否则都会影响表面的质量。这也是技术难点之一。

概况

从硒整流器诞生以来，真空淀积已广泛应用于半导体薄膜器件的制备上。从40年代起，蒸发铅和锡的硫化物薄膜被广泛研究，直到1964年以前还没有实现优质的外延。1964年Schoolar和Zemel用泻流盒产生的分子束在NaCl上外延生长出PbS薄膜。这也许是现代MBE技术的前奏。直到70年代初期真空设备商品化以后，MBE才得到广泛应用。MBE基本上是真空淀积的一种复杂变种，其复杂程度取决于各个研究工作想要达到的目标。因为是真空淀积，MBE的生长主要由分子束和晶体表面的反应动力学所控制，它同液相外延（LPE）和化学汽相淀积（CVD）等其他技术不同，后两者是在接近于热力学平衡条件下进行的。而MBE是在超高真空环境中进行的，如果配备必需的仪器，就能用许多测试技术对外延生长作在位或原位质量评估。

分子束外延的重要阶段性成果就是掺杂超晶格和应变层结构的出现。掺杂超晶格是一种周期性掺杂的半导体结构。通过周期性掺杂的方法来调制半导体的能带结构。掺杂超晶格的有效制备方法是掺杂技术，该技术就是定义在一个原子平面上进行掺杂。在衬底材料生长停止的条件下，生长一个单原子层的掺杂剂，这个单原子层的杂质通过高温工艺或分凝便形成一个掺杂区，因而界面非常陡峭，二维电子气的浓度和迁移率都增大。用MBE技术，在外延层晶格失配小于某一临界条件下，生长出高质量外延层，这种结构为应变层结构。应变层结构的出现丰富了异质结结构的种类。因为晶格常数匹配的半导体材料很有限，而应变层结构可使晶格常数相关较大的半导体进行组合，使两种材料都充分发挥各自的优点。应变层结构具有晶格匹配结构的所有优点，可制作量子霍尔器件。

随着MBE技术的发展，出现了迁移增强外延技术（MEE）和气源分子束外延（GS-MEE）技术。MEE技术自1986年问世以来有了较大的发展。它是改进型的MBE。在砷化镓的MBE过程中，使镓原子到达表面后不立即直接与砷原子发生表面反应生长砷化镓层，而是使镓原子在衬底表面具有较长的距离，达到表面台阶处成核生长。它在很低的温度下（200度）也能生长出高质量的外延层，关键性的问题是控制镓和砷的束流强度，否则会影响表面的质量。近年来出现了气源迁移增强外延，为硅基低维材料的制作开辟了新的工艺研究方向。气源MBE技术的发展是为了解决砷和磷束流强度比率难以控制的问题。其特点是继续采用固态IV族元素和杂质源，再用砷烷和磷烷作为V族元素源，从而解决了用MBE方法生长InP系的主要困难。

MBE作为一种高级真空蒸发形式，因其在材料化学组分和生长速率控制等方面的优越性，非常适合于各种化合物半导体及其合金材料的同质结和异质结外延生长，并在技术半导体场效应晶体管（MESFET）、高电子迁移率晶体管（HEMT）、异质结构场效应晶体管(HFET)、异质结双极晶体管（HBT）等微波、毫米波器件及电路和光电器件制备中发挥了重要作用。近几年来，随着器件性能要求的不断提高，器件设计正向尺寸微型化、结构新颖化、空间低维化、能量量子化方向发展。MBE作为不可缺少的工艺和手段，正在二维电子气（2DEG）、多量子阱（QW）和量子线、量子点等到新型结构研究中建立奇功。MBE的未来发展趋势就是进一步发展和完善MEE和GS-MBE。

目前世界上有许多国家和地区都在研究MBE技术，包括美国、日本、英国、法国、德国和我国台湾。具体的研究机构有日本的东京工学院电学与电子工程系，日本东京大学，日本理化研究所半导体实验室，日本日立公司，日本NTT光电实验室，美国佛罗里达大学材料科学与工程系，美国休斯顿大学真空外延中心，英国利沃浦大学材料科学与工程系，英国牛津大学物理和理化实验室，牛津大学无机化学实验室，德国薄膜和离子技术研究所，德国University of Ulm的半导体物理实验室，德国西门子公司，南朝鲜的电子和通信研究所，法国的Thomson CSF公司，台湾大学电子工程系等。

影响

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。历史地看，外延技术的进展和用它制成所要求的结构在现代半导体器件的发展中起了不可缺少的作用。MBE的出现，无疑激发了科学家和工程师们的想象力，给他们提供了挑战性的机会。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。

光电器件在军事上的应用，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。