​分子束外延生长技术在单原子水平上构建量子世界

分子束外延生长，顾名思义，就是使组成目标样品的原子或分子定向运动到目标衬底（一般为有确定晶向的单晶）上，并使其按照衬底的晶体结构进行生长。具体到 GaAs，就是使单质的 Ga 与 As分别形成原子束或分子束，然后在合适衬底上相遇并反应形成 GaAs。如何获得定向运动的原子或分子束呢？类似于加热烧杯中的水，对靶材加热，就可以蒸发出原子或分子。但这还不够，当我们加热一杯水时，一个熟悉的场景是，水蒸气很快就被空气中的粒子散射，传播距离有限。因此，生长进行的环境一定要是超高真空，对 MBE 而言，通常需要比大气压低10-13倍以上的真空。只有在这样“超净”的环境中，才能有效的减小靶材原子或分子在到达衬底之前与环境气体的碰撞，形成准直的分子束。那么如何保证原子或分子在衬底表面反应并形成外延生长呢？这里的另一个关键就是衬底的温度。可以想象，如果衬底温度过低，原子或分子到达衬底后不能充分迁移、反应和晶化，肯定无法获得好的外延生长；反之，如果衬底温度太高，到达衬底的原子，特别是分子，极易发生脱附，这不但导致较低的生长速率，更严重的是非化学配比薄膜的形成。为了制备组分且组分突变的半导体材料，如超晶格和异质结，我们还需要控制各个蒸发源的温度。PID 控制器（比例-积分-微分控制器）的发展使我们对温度的控制精度达到了1°C 以内，这对获得组分可控的半导体材料、异质结和超晶格起到了奠基的作用。

为了保证半导体器件的性能，半导体材料必须要做得非常的纯，往往几百万原子中才允许有一个杂质。要做到这一点，MBE 生长不但要在超高真空中进行，而且用作蒸发源的原材料的纯度也必须要非常高。以用途广泛的化合物半导体 GaAs 为例，As 源材料的纯度一般为99.9999%（6N）或者99.99999%（7N），Ga 源材料的纯度要在99.9999%（6N）以上。如用作集成电路和微波器件，Ga 的纯度甚至要达到99.999999%（8N）以上。

通过上面简单的介绍，我们现在已经可以勾勒出一个标准分子束外延系统的大致构造了，如图所示，它主要包括超高真空系统、蒸发源、衬底加热台和反射式高能电子衍射仪（RHEED）。