分子束外延

出处：按学科分类—自然科学总论 北京出版社《现代科技综述大辞典上》第251页（4118字）

20世纪70年代初在真空蒸发基础上迅速发展起来的薄膜生长新技术，它是在超高真空条件下构成晶体的各个组分和掺杂原子(分子)以一定的热运动速度，按一定的比例喷射到热的衬底上进行晶体的外延生长，其特点是生长速度慢(～1μm／h)，生长温度低，可精确控制外延层的厚度和表面界面平整度达原子量级，并可随意改变组分和掺杂。

结合适当的掩模，可以生长二维和三维的图形结构，生长时还可以用掠射式高能电子衍射(RHEED)原位观察表面结构，校正生长参数和研究生长机理。MBE技术使人们可以在原子尺度上改变材料的结构参数，从而改变能带结构和波函数，创造具有全新物理特性的新材料和新器件(即所谓的“能带工程”)，推动了新一代以超晶格微结构材料为基础的半导体科学技术的发展。

MBE技术的发展是基于Guther(1958)发展的真空淀积Ⅲ-V族化合物的三温度法和Arthur(1968)对Ga、As以及GaAs表面相互作用的反应动力学研究。1969年以后，Cho进行了MBE的开创性研究，他将Ga源和As源放置在超高真空中，并分别加热至不同温度，产生的Ga和As束射向加热的清洁GaAs表面，一层接一层地生长出了符合化学剂量比的高质量的GaAs单晶薄膜，接着他又利用MBE进行了GaAs的n型、p型掺杂和多种GaAs／AlGaAs半导体器件的研制。1973年Chang用MBE方法生长成功GaAs／AlGaAs超晶格材料，并观察到了电子在这种人为周期场中运动所特有的负阻效应，证实了Esaki和Tsu在1968年提出超晶格概念时的理论预计，从此MBE技术引起了人们极大的兴趣，并兴起了以MBE为基础的半导体超晶格微结构的研究热潮。1976年Gassad等充分发挥MBE的特点，生长出上千个周期的GaAs／AlGaAs交替单原子层的超晶格结构，获得了与GaAs和AlGaAs的晶体结构及能带结构迥然不同的全新的人工改性材料。

1978年Dingle等研制出在AlGaAs中掺杂，GaAs中不掺杂的调制掺杂GaAs／AlGaAs超晶格，由于电子和离化施主在空间被分隔开，使异质结界面附近GaAs势阱中的二维电子气具有极高的低温迁移率。利用这种迁移率增强效应，1980年S．Hiyamizu等作出了具有优越的超高速、超高频特性的高电子迁移率晶体管(HEMT)，这是MBE在新型高速器件方面的重大进展。

同时，在1979年，Tsang通过改进MBE生长环境清洁度，大大降低了MBE AlGaAs中的非辐射复合中心，从而使MBE GaAs／AlGaAs双异质结激光器的阈电流密度低于1kA／cm²，达到可与LPE相比的水平，使MBE在光电子器件中的应用取得突破性进展，从此MBE被公认为是发展新一代半导体器件的关键技术而受到愈来愈广泛的重视和应用。

1983年，Joyce等发现MBE生长时，在原位进行表面观测的高能电子衍射的强度有时会发生衰减性的周期振荡，他们认为这是由于MBE二维层状生长时(即生长前沿着表面上的原子台阶一层接一层地推进)生长表面的粗糙度的周期变化所致，一个周期对应于一个单原子层的生长，这一效应的发现和将其应用于MBE生长，使MBE的控制精度在80年代中期达到了单原子层量级，为了在MBE生长时获得原子级平整的界面，在80年代中后期还发展了多种工艺方法，其中有使吸附于生长表面的原子有充分时间弛豫到表面的大原子台阶边沿上去的生长间断法；有为提高原子在表面的迁移速度，使其有足够能量运动到最佳生长位置去的迁移率增强法(MEE)和将构成化合物的不同原子(分子)束交替射向衬底表面进行逐层外延的原子层外延(ALE)等。

为了实现在原子层空间范围内的陡掺杂，还发展了δ掺杂等方法。

原子级加工精度的MBE技术和能带工程设计相结合，已创造出了许许多多的具有各种优异性能的半导体超薄层结构新器件，特别是在量子阱光电子器件和超高速、超高频器件和电路方面，自80年代中期以来取得了许多令人瞩目的进展，其中有些已进入批量生产。

如GaAs／AlGaAs调制掺杂异质结材料中二维电子气的迁移率1989年作到高达1．1×10⁷cm²／V．s(0．3K)，利用这种迁移率增强效应制作的高电子迁移率晶体管(HEMT)被认为是最有发展前途的超高速超高频器件，1986年已开始批量生产，目前研制的HEMT器件，在94GHz下噪声为1．4dB，增益为6．6dB，fmax=250GHz，并已研制成功16KSRAM。利用量子阱结构的量子尺寸效应和台阶状态密度分布等物理特性等制作的量子阱激光器，具有阈值电流密度低、可单纵模工作、谱线宽度窄、特征温度高、高频调制特性好等特点，被公认为是理想的激光光源，迄今分子束外延制备的各种不同体系材料的激光器的波长已可覆盖0．6～20μm范围，其中AlGaAs系的可见光激器在1990年也进入了批量生产，并已在光盘、光印刷、光通信和激光光泵等多方面进入了实际应用。利用量子阱材料具有的室温激子吸收的非线性光学效应和在外电场下激子峰红移的量子限制Stark效应，已研制了多种结构的半导体光调制器和光双稳态器件，它们具有快速(ps量级)、低功耗(μW量级)、室温工作和体积小等特点，特别是80年代中期Miller等人发展的MBEGaAlAs／GaAs量子阱结构的自电光效应双稳器件(SEED)，功耗很低，易列阵化和可与量子阱激光器、调制器等进行单片集成，已用它作出了世界上第1台数字式光信息处理机，被认为是光计算计术的重大突破。80年代末利用量子阱材料电子子带间的跃迁和发射，还研制成功了可工作于8～10μm波段的、探测率达×10¹⁰cmHz^1／2／W(77K)的远红外探测器，并作出了128×128的列阵，达到了实用水平。

利用量子阱结构的纵向输运特性还研制出一系列的超高速、超高频器件，如利用双势垒或多势垒的共振隧穿效应的负阻高速器件，利用MBE作的GaAs／AlGaAs异质结双极晶体管的工作频率已高达100GHz，F_max＞200GHz，在60GHz下，输出功率达45mW，HBT环形振荡器的延迟时间达到了1．9ps／门。由于这些重要器件的研制成功和在80年代中后期HEMT、激光器等器件进入批量生产，改变了不少人原来认为MBE只是适合于实验室研究不适合于生产的观点。

早期的MBE研究多集中于晶格匹配的GaAs-AlGaAs体系，80年代中期以后，其他体系材料(包括含P、含Sb的Ⅲ-Ⅴ族、Ⅳ－Ⅵ族化合物和IV族元素半导体系等)和晶格失配材料组成的应变异质结、超晶格的MBE研究蓬勃兴起。Tsang发展的CBE技术，综合了MBE和MOCVD的优点，将MBE的固态源换为气态源，特别适用于有重要应用价值的P化合物体系的材料生长，已用以研制出InGaAsP／InP激光器等一系列光电子器件。

此外MBE ZnSe／ZnS可见光激光器和GeSi／Ge HBT等新型器件的研制成功，表明MBE技术能在各种半导体材料领域发挥重要作用。

将晶格失配的材料组合成的应变异质结和超晶格材料，当超晶格的各层厚度不超过自的临界值时，层间的晶格失配可由晶格的弹性形变来调节，MBE的实验结果表明即便失配度大到7%，也可在界面不产生失配位错，并且材料的能带结构及相关的物理性能还可通过改变层厚和应力改变，这不仅为设计各种特殊能带结构的新材料开拓了更为广阔的道路，而且在基础物理研究和新型器件应用方面也有重要意义。如应用应变异质结GaAs／InGaAs作的P-HEMT，室温性能优于通常的HEMT，用这种材料作出的量子阱激光器可工作于0．98μm波长，能用作掺Er⁺光纤放大器的光源。在Si衬底上外延GaAs综合了Si和GaAs两种材料的优点，在高速集成和光电子集成电路方面有诱人的应用前景，MBE GaAs／Si复合衬底材料已批量生产。

MBE虽然已经可以生长原子级精控的材料，但其生长机理尚不十分清楚，有待深入研究，二维层状生长过程的计算机模拟研究和发展高灵敏、高清晰度的原位表面观测方法将会是重要的研究途径。各种体系材料的应变超晶格材料的MBE生长、界面应力应变特性及其对材料性能和能带结构的影响和器件的应用研究是一个有待开拓的、广阔的领域。性能优异的MBE GaAsAlGaAs系的新型结构材料、器件和电路的研制需进一步向实用化和生产化方向发展，相应的可以同时进行多片外延生长、大面积均匀、可长周期工作的生产型的MBE设备和采用气态源的MBE设备将会进一步发展。

【参考文献】：

1 Cho A Y, Arthur J R. Progress in Solid State Chemistry, 1975,10:157

2 Beave JH,et al.Appl Phys, 1983, A31(1) :1

3 Chang L L, Ploag K. NATOSAI Series: Applied Sciences, 1985,87

4 Herman M A, Sitter H. Fundamental and Current Status, 1989

5 Cho A Y. J. Cryst. Growth. 1991,111:1

6 Tsang W T. J. Cryst. Growth, 1991, 111 : 529

(孔梅影撰)