mbe工藝在外延生長(zhǎng)的應(yīng)用非常廣泛，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

　　（1）生長(zhǎng)速率低，一般情況下其生長(zhǎng)速率為1 μm／h、1個(gè)單層/s，理論上可以在原子尺度改變組分與摻雜。

　　（2）生長(zhǎng)溫度低，如生長(zhǎng)gaas時(shí)的襯底溫度約為550～650℃，這樣就可以忽略生長(zhǎng)層中的相互擴(kuò)散作用。

　　（3）可以通過(guò)掩模的方法對(duì)材料進(jìn)行三維的控制生長(zhǎng)。

　　（4）由于生長(zhǎng)工藝在超高真空中進(jìn)行，因此可以在生長(zhǎng)室中安裝各種分析設(shè)備，這樣就可以在生長(zhǎng)的整個(gè)前后過(guò)程對(duì)外延層進(jìn)行在位測(cè)量和分析。

　�。�5）在現(xiàn)代mbe生長(zhǎng)系統(tǒng)中，生長(zhǎng)過(guò)程可以用計(jì)算機(jī)進(jìn)行自動(dòng)化控制。

　　上述優(yōu)點(diǎn)使得mbe可以生長(zhǎng)出只有幾個(gè)原子層厚度的多層單晶體結(jié)構(gòu)，得到超晶格和量子阱結(jié)構(gòu)的光電子器件，如：雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)激光器、量子阱激光器、分布反饋激光器、光學(xué)干涉濾光片和光探測(cè)器，等等。對(duì)于vcsel這樣的多層外延結(jié)構(gòu)，采用mbe進(jìn)行外延生長(zhǎng)也是非常理想的，使得vcsel的光、電性能得到了很大程度的提高。

　　mbe的結(jié)構(gòu)原理如圖所示。整個(gè)生長(zhǎng)過(guò)程需要在超真空環(huán)境下進(jìn)行，從加熱的克努森池中產(chǎn)生的分子束流在一個(gè)加熱的單晶襯底上反應(yīng)形成晶體。在每一個(gè)克努森池里的坩鍋中裝有生長(zhǎng)層所需要的一種元素或化合物，將坩鍋設(shè)定到合適的溫度，使得分子束流正好能在襯底的表面形成所期望的外延組分。為了保證組分的厚度和均勻性，坩鍋在襯底周圍以圓形排列，并在襯底生長(zhǎng)的過(guò)程中可以進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。在生長(zhǎng)時(shí)，組分和摻雜的連續(xù)性變化可以由連續(xù)改變各個(gè)坩鍋的溫度來(lái)實(shí)現(xiàn)，而組分的突變則是通過(guò)在每一個(gè)坩鍋入口處的機(jī)械閥門的開、關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在生長(zhǎng)過(guò)程中，坩鍋和襯底的附近需要有液氮冷凝裝置，以減少生長(zhǎng)層中的非故意摻雜，即減少生長(zhǎng)室中的本底摻雜濃度。

　　圖 分子束外延（mbe）設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖

　　mbe的真空系統(tǒng)由3個(gè)相互隔開的真空室（生長(zhǎng)室、預(yù)各室和速裝室）組成。在將襯底樣品材料和樣品臺(tái)由外界裝入生長(zhǎng)室的過(guò)程中，首先要進(jìn)入速裝室，在100℃加熱10個(gè)小時(shí)以上，以去掉大部分襯底和載體上所吸附的氣體。之后，將襯底和樣品臺(tái)送入預(yù)備室，在400℃加熱2h以上，去掉殘留氣體。當(dāng)預(yù)備室內(nèi)氣壓降至p＜10 (-10)torr時(shí)，再送入生長(zhǎng)室中進(jìn)行外延生長(zhǎng)。

　　襯底加熱器可以給樣品臺(tái)提供一個(gè)穩(wěn)定、均勻而且重復(fù)性很好的溫場(chǎng)。當(dāng)襯底加熱器兩次測(cè)量的溫度相同時(shí)，襯底的實(shí)際溫差控制在±5℃之內(nèi)。襯底加熱器在垂直于分子束流的平面上旋轉(zhuǎn)，以確保外延層生長(zhǎng)均勻。為了防止在生長(zhǎng)方向上的成分起伏，需使襯底的旋轉(zhuǎn)周期與單層的生長(zhǎng)時(shí)間相對(duì)應(yīng)，這就要求轉(zhuǎn)速要高于60轉(zhuǎn)／分。

　　在生長(zhǎng)過(guò)程中，需要隨時(shí)了解材料的生長(zhǎng)狀況，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行調(diào)整。在襯底加熱器的背面裝有一臺(tái)電離規(guī)，可以對(duì)各個(gè)源材料在襯底處的分子束流強(qiáng)度進(jìn)行在位測(cè)量。電離規(guī)本質(zhì)上是一個(gè)濃度指示器，用它可以在生長(zhǎng)前得出iii、v族源在襯底處的相對(duì)壓力比。反射式高能電子衍射儀（rheed）用于觀察生長(zhǎng)層表面的微觀結(jié)構(gòu)。使用rheed時(shí)，電子槍出射的高能電子束（e＋10～15kev）與襯底表面的夾角為1°～2°，與坩鍋產(chǎn)生的分子束流近乎垂直，這樣可以保證在生長(zhǎng)時(shí)也使用rheed，而且還可以保證電子射到材料的表面時(shí)，進(jìn)入1～2層之后就會(huì)被反彈出來(lái)。如此，可以獲得大量的表面信息。因此可以用這種方法監(jiān)視材料生長(zhǎng)初期的生長(zhǎng)速率。

　　rheed的作用總結(jié)為以下幾點(diǎn)：

　�。�1）在生長(zhǎng)前，監(jiān)視生長(zhǎng)層表面的氧化物解吸附過(guò)程，校準(zhǔn)襯底加熱器的熱電偶。

　�。�2）通過(guò)觀察生長(zhǎng)層表面的再構(gòu)（2×4）→（4×2）的相變，確定生長(zhǎng)時(shí)所需要的iii／v比。

　　（3）在生長(zhǎng)過(guò)程中利用rheed的強(qiáng)度振蕩校準(zhǔn)生長(zhǎng)速率。

　　（4）生長(zhǎng)后觀察生長(zhǎng)層表面的結(jié)構(gòu)與平整度。

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