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分子束外延的含义分子束外延（Molecular Beam Epitaxy，简称MBE）是一种用于生长单晶薄膜的先进材料制备技术。
通过控制分子束的流动和能量，可以在原子尺度上控制材料的质量和结构，从而实现高度纯净、低缺陷的薄膜生长。
这一技术在半导体、光电子学、纳米科技等领域发挥着重要作用。
MBE技术是通过在真空环境中利用化学反应来生长单晶薄膜。
从源材料中产生高能量的分子束，束流中的分子逸散并与加热的基片上的原子发生反应，从而在基片表面上沉积一层新的薄膜。
利用分子束的狭缝，薄膜可以在原子尺度上的精确控制生长，从而达到高质量、晶格匹配的效果。
MBE技术主要包括源材料的制备、束流形成和真空系统的设计。
源材料的纯度和制备过程对薄膜质量至关重要。
材料通过高温热蒸发、分子流辐射或簇射等方式产生，确保材料的纯净度和均匀性。
束流的形成则需要通过激光蒸发、热蒸发或分子簇射等技术实现。
同时，真空系统的设计和维护也是MBE技术的重要组成部分，保证材料生长的稳定性和纯净度。
MBE技术在半导体领域有广泛应用。
通过控制薄膜生长的参数，可以在半导体材料中实现掺杂和多层结构。
这为半导体器件的研究和制备提供了理想的原材料。
例如，MBE技术在光电子器件中的应用已被广泛研究。
通过调控薄膜的生长条件，可以实现光电转换和光电流输运的优化，从而实现高效率的光电子器件。
除了半导体领域，MBE技术还在纳米科技、光学薄膜和低维材料研究中发挥着重要作用。
例如，在纳米量子点的研究中，MBE技术可以精确控制量子点的大小和排列，从而调控其电学和光学性质。
在新型材料的研发中，MBE技术可以实现复杂结构的控制生长，从而研究材料的新奇性质。
总之，分子束外延技术是一种先进的材料制备技术，广泛应用于半导体、光电子学和纳米科技等领域。
通过精确控制薄膜生长的条件和材料组分，可以实现高质量、低缺陷的薄膜生长。
这一技术的发展将推动材料科学和器件制备的进步，为相关领域的研究提供有力支持。
分子束外延生长的原理
分子束外延生长（Molecular Beam Epitaxy，简称MBE）是一种用于在晶体表面上逐层生长单晶薄膜的方法。
其原理如下：
1. 分子束发射：首先，通过热蒸发或激光蒸发等方法，将所需材料制成独立的分子束。
这些分子束含有待生长薄膜的原子或分子。
2. 分子束定向：分子束通过使用适当的准直光学系统进行定向，确保其能够以高度定向的方式击中生长基底。
3. 生长基底准备：生长基底（通常是单晶基底）表面需要被清洁和准备好，以确保分子束能够有效地吸附和生长。
4. 吸附和生长：当分子束击中生长基底时，原子或分子会吸附在基底上。
在吸附过程中，吸附物与基底原子相互作用，形成一个层状结构。
分子束在生长过程中控制的参数包括温度、压力和生长速率等。
5. 脱附和富集：一旦层状结构形成并达到所需厚度，可以停止分子束的发射并降低温度，以使薄膜表面的非平衡态物种重新脱附。
这一步骤可以减少杂质和缺陷的存在，提高薄膜质量。
MBE方法能够实现高度控制的单层生长，具有较低的污染和表面缺陷，被广泛应用于半导体器件和纳米结构材料的制备中。
分子束外延技术分子束外延（molecular beam epitaxy,MBE）技术是一种可在原子尺度上精确控制外延膜厚度、精确控制对薄膜的掺杂和精确控制界面平整度的薄膜制备技术，主要用于制备超薄膜、多层量子阱和超晶格等半导体用高精度薄膜，是新一代电子器件、光电子器件的主要制备技术之一。
1958年，K.Z. Gunther首先提出分子東外延概念；1968年，J.E. Davey和T. Pankey用分子束外延技术制备了GaAs薄膜；1975年，MBE技术应用于半导体器件制备。
我国1980年出产首台MBE系统，1986年后进入器件应用阶段。
图1 外延膜的示意图1.分子束外延原理分子束外延是把构成晶体的各个组分分别放在不同的蒸发源中，在10-8Pa的超高真空条件下，缓慢加热膜材，使之形成分子束流并以一定的热运动速度，按一定的比例喷射到基片上，在基体上进行外延薄膜生长，并在线监测生长过程的一种镀膜方法。
从本质上讲，它是一种真空蒸发镀，包括分子束的产生、分子束的输运和分子束的沉积三个过程。
分子束外延示意图如图2所示[1]，膜材放在蒸发源中，每个蒸发源有一个挡板，蒸发源对准基体，基体可以加热调节温度，另外有监测设备，在线监测薄膜晶态结构。
图2 分子束外延示意图1.1分子束的产生分子束是通过蒸发源产生的，蒸发源决定分子束的活性、分子束强度（由蒸发速率决定）。
蒸发源包括克努曾舟[2]、电子束加热源和裂解炉。
克努曾舟主要用来蒸发低熔点材料，如Ge、Ga和Al等，而电子束主要用于高熔点物质蒸发，如C、W等。
裂解炉通常用于As和P等物质的蒸发，这些材料蒸发时容易形成四聚体，需要用裂解炉使四聚体变成活性较高的二聚体或单原子。
束流反应活性高，利于制备热力学平衡态下难以制备的高浓度合金，因而能够制备新型人工材料和器件。
反应活性高，还利于降低样品生长时的衬底（基体）温度，从而减弱膜层或成分间相互扩散，有利于制作陡峭界面和极薄层的结构。
分子束外延（英文名称；Molecular Beam Epitaxy）1、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形成蒸汽，经小孔准直后形成分子束或原子束直接喷射到上述衬底上，同时控制分子束对衬底的扫描，就可以生长出极薄的（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。
2、研究对象：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。
3、MBE的一般结构：目前最典型的MBE系统是由进样室、预备分析室、和外延生长室串连而成。
进样室：进样室用于换取样品，是整个设备和外界联系的通道，也可同时放入多个衬底片。
预备分析室：对衬底片进行除气处理，对样品进行表面成分、电子结构和杂质污染等分析。
通常在这个真空室配置AES、SIMIS、XPS、UPS等分析仪器。
外延生长室：是MBE系统中最重要的一个真空工作室，用于样品的分子束外延生长。
配置有分子束源、样品架、电离记、高能电子衍射仪和四极质谱仪等部件。
监测分子束流有以下几种：●（1）石英晶体常用于监测束流，束流屏蔽和冷却适当，可得满意结果。
但噪音影响稳定性。
几个 m后，石英晶体便失去了线性。
调换频繁，主系统经常充气，这不利于工作。
●（2）小型离子表，测分子束流压，而不是测分子束流通量。
由于系统部件上的淀积而使其偏离标准。
●（3）低能电子束，横穿分子束，利用所探测物种的电子激发荧光。
原子被激发并很快衰退到基态产生UV荧光，光学聚焦后荧光密度正比于束流密度。
可做硅源的反馈控制。
不足之处：切断电子束，大部分红外荧光和背景辐射也会使信噪比恶化到不稳定的程度。
它只测原子类，不能测分子类物质。
生长室结构：➢分子束外延中的分子（原子）运动速率非常之高，源分子（原子）由束源发出到衬底表面的时间极其短暂，一般是毫秒量级，一旦将分子束切断，几乎是在同时，生长表面上源的供应就停止了，生长也及时停止。
不会出现层厚失控。
（1）真空系统✓主真空室的本底压强应不高于10-8Pa。
✓生长室和分析室除机械泵-分子泵联动抽气装置外，一般还需要配置离子泵和钛升华泵，以维持超高真空环境。
✓在生长室内壁，还加有大面积的液氮冷屏套，对CO、H2O等残余气体有显著的吸附效果。
✓整个系统要进行烘烤，生长系统内的附属机件应能承受150-200℃的高温，且具有很高的气密性。
✓（3）束流（蒸发速率）监测装置✓石英晶体监测：目前，这一方法已被广泛应用于薄膜沉积过程中厚度的实时测量。
这一方法原理是基于适应晶体片的固有振动频率随其质量的变化而变化的物理现象。
✓使用石英晶体振荡器测量薄膜厚度需要注意两个问题:✓一，石英晶体的温度变化会造成其固有频率的漂移；✓二，应采用实验的方法事先对实际的沉积速度进行标定。
✓分子束从束源炉(Knudsen effusion cell)中产生，束源炉温度由PID或者计算机精确控制，并通过热偶提供温度反馈。
分子束流的大小主要由束源炉的温度决定，其稳定度可达±1％。
束流强度由几何关系推导出，但实际受坩埚的锥度、口径、液面与炉口的距离等因素影响。
✓✓RHEED是最重要的设备。
高能电子枪发射电子束以1-3度掠射到基片表面后，经表面晶格衍射在荧光屏上产生的衍射条纹直接反映薄膜的结晶性和表面形貌，衍射强度随表面的粗糙度发生变化，振荡反映了薄膜的层状外延生长和外延生长的单胞层数。
MBE的结构原理如图所示。
整个生长过程需要在超真空环境下进行，从加热的克努森池中产生的分子束流在一个加热的单晶衬底上反应形成晶体。
在每一个克努森池里的坩锅中装有生长层所需要的一种元素或化合物，将坩锅设定到合适的温度，使得分子束流正好能在衬底的表面形成所期望的外延组分。
为了保证组分的厚度和均匀性，坩锅在衬底周围以圆形排列，并在衬底生长的过程中可以进行旋转。
在生长时，组分和掺杂的连续性变化可以由连续改变各个坩锅的温度来实现，而组分的突变则是通过在每一个坩锅入口处的机械阀门的开、关来实现的。
在生长过程中，坩锅和衬底的附近需要有液氮冷凝装置，以减少生长层中的非故意掺杂，即减少生长室中的本底掺杂浓度。
图分子束外延（MBE）设备的结构示意图MBE的真空系统由3个相互隔开的真空室（生长室、预各室和速装室）组成。
在将衬底样品材料和样品台由外界装入生长室的过程中，首先要进入速装室，在100℃加热10个小时以上，以去掉大部分衬底和载体上所吸附的气体。
之后，将衬底和样品台送入预备室，在400℃加热2h以上，去掉残留气体。
当预备室内气压降至P＜10 (-10)torr时，再送入生长室中进行外延生长。
衬底加热器可以给样品台提供一个稳定、均匀而且重复性很好的温场。
当衬底加热器两次测量的温度相同时，衬底的实际温差控制在±5℃之内。
衬底加热器在垂直于分子束流的平面上旋转，以确保外延层生长均匀。
为了防止在生长方向上的成分起伏，需使衬底的旋转周期与单层的生长时间相对应，这就要求转速要高于60转／分。
在生长过程中，需要随时了解材料的生长状况，并在此基础上进行调整。
在衬底加热器的背面装有一台电离规，可以对各个源材料在衬底处的分子束流强度进行在位测量。
电离规本质上是一个浓度指示器，用它可以在生长前得出III、V族源在衬底处的相对压力比。
反射式高能电子衍射仪（RHEED）用于观察生长层表面的微观结构。
使用RHEED时，电子枪出射的高能电子束（E＋10～15KeV）与衬底表面的夹角为1°～2°，与坩锅产生的分子束流近乎垂直，这样可以保证在生长时也使用RHEED，而且还可以保证电子射到材料的表面时，进入1～2层之后就会被反弹出来。
如此，可以获得大量的表面信息。
因此可以用这种方法监视材料生长初期的生长速率。
RHEED的作用总结为以下几点：（1）在生长前，监视生长层表面的氧化物解吸附过程，校准衬底加热器的热电偶。
（2）通过观察生长层表面的再构（2×4）→（4×2）的相变，确定生长时所需要的III／V比。
（3）在生长过程中利用RHEED的强度振荡校准生长速率。
（4）生长后观察生长层表面的结构与平整度。
4、MBE的生长（1）外延的基本物理过程：1. 表面成核——对外延材料结构有最大影响的阶段是生长的最初阶段，这个阶段叫成核。
当衬底表面只吸附少量生长物原子时，这些原子是不稳定的，很容易挣脱衬底原子的吸引，离开衬底表面。
所以，要想在衬底表面实现外延材料的生长，首先由欲生长材料的原子（或分子）形成原子团，然后这些原子团不断吸收新的原子加入而逐渐长大成晶核。
它们再进一步相互结合形成连续的单晶薄层。
2.表面动力学：反应物到衬底后,通常发生下列过程:①反应物扩散到衬底表面;②反应物吸附到衬底表面;③表面过程（化学反应、迁移及并入晶格等；④反应附加产物从表面脱附；⑤附加产物扩散离开表面。
每个步骤都有特定的激活能，因此，在不同外延温度下对生长速率的影响不同。
⏹表面过程：如果不考虑生长速率，仅从外延质量来看上述过程③表面过程非常重要。
⏹沉积到衬底表面上的原子通常去寻找合适的位置落入，使得系统的总能量降至最低。
对于实际表面，像表面台阶之类的表面缺陷是原子并入晶格的最佳位置。
（见下图）生长机制：对于表面上存在许多淀积原子的情况，它们除了在表面处键合外，还相互结合以进一步减少自由键的数目。
外来的淀积原子不断加入小的原子群并形成大的聚集体。
显然，当这些原子团继续生长时，它们自己就被看作是提供高结合能位置的表面缺陷，在淀积过程中进一步聚集原子生长。
（2）MBE生长原理及方法：➢生长原理：MBE的生长方式是按动力学方式进行的。
从分子束喷射出的分子到达衬底表面时，由于受到表面力场的作用而被吸咐于衬底表面，经过表面上的迁移、再排列等，最后在适当的位置上释放出汽化热，形成晶核或嫁接到晶格结点上，形成外延薄膜。
➢生长过程：1.入射的原子或分子在一定温度衬底表面物理化学吸附。
2.吸附分子在表面的迁移和分解。
3.组分原子与衬底或外延层品格点阵的结合或在衬底表面成核。
4.未与衬底结合的原子或分子的热脱附。
MBE的生长速度慢(几微米/时)，可在原子尺度范围内精确地控制外延层的厚度、界面平整度和掺杂分布，结合掩膜技术，可以制备具有二维和三维结构的薄膜。
MBE的生长温度远低于热力学平衡态，可随意改变外延层的组分和掺杂。
与其它的外延技术相比，MBE的另一显著的优点是系统处于超高真空，可以进行RHEED、AES等实时监控，便于精确控制生长过程。
MBE生长的特点：➢真空度高达10-8Pa，衬底表面经过处理可成为完全清洁的，在外延过程中可避免沾污，因而能生长出质量极好的外延层。
➢从源炉喷出的分子（原子）以“分子束”流形式直线到达衬底表面。
通过石英晶体膜厚仪监测，可严格控制生长速率。
➢生长速率极慢，大约1um/h，相当于每秒生长一个单原子层，因此有利于实现精确控制厚度、结构与成分和形成陡峭的异质结构等。
实际上是一种原子级的加工技术，因此MBE特别适于生长超晶格材料。
➢衬底温度较低，因此降低了界面上热膨胀引起的晶格失配效应和衬底杂质向外延层中的扩散的影响，所以外延材料表面形貌好，而且面积较大均匀性较好，外延层清晰，可以形成界面处突变的超精细结构。
➢可以在喷射室内安放多个喷射炉，分别调制各组分的分子流，可同时精确控制生长层的厚度、组分和掺杂分布。
因此再结合适当的控制技术，可生长二维和三维图形结构的薄膜或器件。
➢MBE是在超高真空环境中进行的，且衬底与分子束源相隔较远，因此可用多种表面分析仪器实时观察生长面上的成分、结晶结构和生长过程，进行生长机制的研究和实现实时监控和监测。
➢MBE生长是一个动力学过程，即将入射的中性粒子（原子或分子）一个一个地堆积在衬底上进行生长，而不是一个热力学过程，所以它可以生长按照普通热平衡生长方法难以生长的薄膜。
➢MBE是一个超高真空的物理沉积过程，既不需要考虑中间化学反应，又不受质量传输的影响，并且利用喷射炉前的快门可以对生长和中断进行瞬时控制，因为分子束外延中的分子（原子）运动速率非常之高，源分子（原子）由束源发出到衬底表面的时间极其短暂，一般是毫秒量级，一旦将分子束切断，几乎是在同时，生长表面上源的供应就停止了，生长也及时停止。
不会出现层厚失控。
因此，膜的组分和掺杂浓度可随源的变化而迅速调整。
存在问题：●设备复杂、投资大、外延生长速度慢、经济效益差；●外延膜表面缺陷密度大（可能是衬底表面的缺陷或杂质污染引起的）●MBE的生长速度比较慢，既是优点也是不足：MBE从诞生的开始就不是作为厚膜生长技术出现的，而是针对几纳米乃至几埃的超薄层外延，因此不适于大量生产。
