圖1 分子束外延裝置生長室的工作原理圖，當(dāng)樣品架中襯底背后的離子規(guī)管轉(zhuǎn)到面對各束源爐時，可以用來測量Ⅲ族元素例如Ga，Al，In分子束的束流強度

曾經(jīng)因發(fā)明隧道二極管而獲得諾貝爾物理學(xué)獎的江崎(L. Esaki)在1970年與朱兆祥(R. Tsu)一起提出了一個半導(dǎo)體超晶格的概念^[1]。他們設(shè)想如果在一個半導(dǎo)體基底上交替生長兩種晶格匹配的半導(dǎo)體材料的周期結(jié)構(gòu)，則電子沿生長方向的連續(xù)能帶將分裂成若干微帶(圖2)。如果沿生長方向施加外電場，只要電子的散射時間足夠長，電子將會未經(jīng)散射到達微布里淵區(qū)(圖2中-π/d至π/d間的區(qū)域)邊緣，即圖2中E₁的π/d處，電子的有效質(zhì)量將是負的，于是出現(xiàn)負阻，即發(fā)生了所謂的布洛赫振蕩。若超晶格周期為d的話，則在外電場F作用下的振蕩頻率為edF/h (e為電子電荷，h為普朗克常數(shù))，這將是一個超強能力的微波器件。

要生長這樣的超晶格結(jié)構(gòu)，用當(dāng)時比較成熟的氣相及液相外延生長技術(shù)是無法實現(xiàn)的，1971年貝爾實驗室的卓以和(A. Y. Cho)用分子束外延技術(shù)生長出GaAs/AlGaAs超晶格結(jié)構(gòu)^[2]。由此掀起了分子束外延技術(shù)的發(fā)展及量子阱、超晶格物理研究的高潮。之后研究出了多個與量子阱有關(guān)的重要器件，如量子阱激光器、量子阱紅外探測器、高電子遷移率場效應(yīng)微波器件等。

分子束外延技術(shù)問世之后，西方就對我國實施分子束外延設(shè)備及相關(guān)材料的禁運，本文回顧了被禁運的十幾年里，中國的科技工作者自強不息地發(fā)展分子束外延設(shè)備及分子束外延材料的歷程。

MBE-I型及MBE-II型設(shè)備分別在物理所及半導(dǎo)體所多年運轉(zhuǎn)期間，不斷暴露出設(shè)備的不足之處，科技工作者們深感第一代國產(chǎn)MBE設(shè)備已經(jīng)遠不能滿足生長器件研制的材料要求：(1)材料生長的尺寸只有1 cm²，而且一次只能進一個樣品，效率極其低下；(2)因為只有二室結(jié)構(gòu)，在進樣室沒有樣品預(yù)處理裝置，新的樣品在生長室加熱，帶進去的水汽及污染脫附物對生長室產(chǎn)生污染，另外從進樣室直接將樣品傳入生長室對生長室真空度的沖擊較大；(3)分子束源的容量太小，換料頻繁不利于材料生長，而且控溫系統(tǒng)及生長程序控制也亟待改進。

電子工業(yè)部南京55所的科技工作者們已深深地認識到MBE材料在制作高性能微波器件方面的重要性，但是當(dāng)時國際上對MBE設(shè)備及外延材料都實施禁運，而MBE-I型設(shè)備已經(jīng)不能滿足器件研制的需要。于是南京55所作出了一個重要決定：由他們出資，請物理所與沈陽科儀廠合作設(shè)計和研制新一代的MBE設(shè)備，設(shè)備放在物理所運轉(zhuǎn)，一方面向他們提供外延片，同時還培訓(xùn)該所的技術(shù)人員學(xué)習(xí)MBE生長技術(shù)。這臺后來被命名為MBE-III的設(shè)備(圖5)向?qū)嵱没邕M了一大步。主要體現(xiàn)在：

(1)III型外延設(shè)備從雙室結(jié)構(gòu)改為三室結(jié)構(gòu)，即增加了一個預(yù)處理室。樣品由連接進樣室與預(yù)處理室的磁力耦合傳遞桿進行這兩室間的樣品傳輸，樣品在預(yù)處理室內(nèi)加熱到400℃，去除樣品及樣品托從大氣中帶入的水汽及沾污物。之后，傳遞桿進行從預(yù)處理室向生長室的樣品輸送，由于預(yù)處理室的真空度比進樣室高得多，所以在樣品交接時，對生長室的真空度沖擊較小。此外，經(jīng)過預(yù)處理的樣品，在生長室再次升溫生長時，很大程度地減少了對生長氣氛的影響，是提高外延質(zhì)量的一個重要改進。

(2)生長室與預(yù)處理室，預(yù)處理室與進樣室之間使用了全金屬的閘板閥，傳遞通徑比角閥大幅增加，為外延片的尺寸增加到2英寸提供了條件。為了改善所生長外延材料的組分、厚度及摻雜的均勻性，在外延生長時樣品必須連續(xù)旋轉(zhuǎn)，這是樣品架功能的一個很大進步，也為之后的外延襯底的進一步擴大奠定了基礎(chǔ)。

(3)分子束爐的容量有了大幅度的增加，建立了對溫度及快門進行實時控制的微機系統(tǒng)，可以生長復(fù)雜的多層結(jié)構(gòu)直至幾十層的半導(dǎo)體超晶格。

(4)MBE-I及MBE-II型的生長室是垂直結(jié)構(gòu)，即所有分子束爐安置在生長室的下方，外延襯底表面朝下，其優(yōu)點是各分子束爐裝料較多，缺點在于外延過程中從冷屏掉下來的凝聚物對分子束爐造成交叉污染，MBE-III型設(shè)備是水平配置，即分子束爐組件在側(cè)面，樣品垂直放置，從而避免了墜落物對分子束爐中材料的交叉污染。

1985年底MBE-III型設(shè)備運抵物理所進行安裝和運轉(zhuǎn)。經(jīng)過10個月左右的生長實驗，積累了大量數(shù)據(jù)。1986年10月18日，由中科院數(shù)理學(xué)部及技術(shù)條件局組織對“分子束外延材料和三室結(jié)構(gòu)微機控制分子束外延設(shè)備”進行了鑒定，充分肯定了“III型設(shè)備是首次實現(xiàn)了用微機對分子束外延設(shè)備的控制……并為發(fā)展新材料提供了可能性”^[5]。設(shè)備的正常運轉(zhuǎn)加速了國內(nèi)與MBE材料相關(guān)器件的研制。在國內(nèi)率先成功生長性能比以GaAs為二維電子氣溝道的HEMT更加優(yōu)異的以InGaAs作為溝道的PHEMT(贗配高電子遷移率場效應(yīng)晶體管)材料。分子束外延設(shè)備的升級推進了復(fù)雜結(jié)構(gòu)MBE材料的生長，如需要有幾十層的GaAs/AlGaAs多量子阱的紅外探測器結(jié)構(gòu)，微機控制發(fā)揮了巨大的作用。除了生長這些應(yīng)用性很強的分子束外延材料外，生長的各種多量子阱及超晶格材料也促進了相關(guān)的輸運性質(zhì)及光學(xué)性質(zhì)的研究。

到了20世紀80年代中后期，國際上半導(dǎo)體多量子阱和超晶格的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究開展得如火如荼，凡是研究半導(dǎo)體的大學(xué)及研究所幾乎無一例外地都在開展MBE材料的生長及各種材料的量子阱及超晶格的物性研究，MBE設(shè)備已經(jīng)發(fā)展出多種生產(chǎn)型號，以適應(yīng)許多與MBE材料相關(guān)器件產(chǎn)業(yè)化的需要。鑒于MBE技術(shù)的重要性，中國科學(xué)院也意識到中國科學(xué)院的MBE設(shè)備制造及材料生長技術(shù)在國內(nèi)占據(jù)優(yōu)勢地位，決定成立“MBE技術(shù)開發(fā)基地”，由沈陽科學(xué)儀器廠聯(lián)合物理所、半導(dǎo)體所及上海冶金所研制MBE-VI型設(shè)備。

VI型設(shè)備除了樣品架的基本設(shè)計沿用了III型的結(jié)構(gòu)外，總體設(shè)計有了很大的變動。主要有以下幾點：

(1)系統(tǒng)由一個進樣室、一個預(yù)處理室及兩個生長室組成，兩個生長室布局在進樣室及預(yù)處理室的兩側(cè)，樣品經(jīng)過預(yù)處理后可以根據(jù)需要傳遞到左或右生長室進行外延生長，提高了設(shè)備的效率。

(2)生長室的軸線與水平成30°的角度，這樣既避免了垂直配置生長室冷阱上的凝聚物墜落引起的交叉污染，又沒有水平配置生長室中某些分子束爐角度向下的缺點。

(3)進樣室、預(yù)處理室與生長室之間的樣品輸送采用轉(zhuǎn)軸驅(qū)動的導(dǎo)軌實現(xiàn)，樣品的裝卸由磁力耦合的撥叉完成，使得樣品傳遞過程更為簡便且可靠。

(4)從MBE-I型到III型，分子束爐與轉(zhuǎn)動的快門都安裝在同一個大的束源法蘭上，而MBE-VI型的快門采用電磁驅(qū)動或氣動驅(qū)動的直線移動方式，安裝在與生長室軸線垂直的法蘭上，使得束源爐布局更寬松。

(5)樣品的最大尺寸增加到3英寸，并且一次能裝卸10塊樣品，使得VI型設(shè)備向?qū)嵱没诌~進了一大步。

(6)VI型設(shè)備的計算機控制系統(tǒng)由物理所承擔(dān)研制，其功能有很大的提升：設(shè)計成兩級控制，上級為當(dāng)時流行的IBM-PC/XT機，下級計算機為自行設(shè)計的實時控制機。在上級機中可以編寫材料制備程序，該程序以通信方式傳給下級機，下級機是一個專門設(shè)計的STD總線微機系統(tǒng)，對爐溫、快門等進行實時控制。可以生長制備任何復(fù)雜的多層結(jié)構(gòu)。

(7)在MBE-VI型設(shè)備的研制中，半導(dǎo)體所承擔(dān)了RHEED強度振蕩數(shù)據(jù)采集記錄裝置及砷裂解爐，物理所承擔(dān)了分子束源爐、電磁驅(qū)動快門及快門驅(qū)動電源，并且提供給設(shè)備的各使用單位。

VI型設(shè)備共計制造了5臺，其中分配給物理所、半導(dǎo)體所及上海冶金所各一臺，從而使得這三個研究所分子束外延材料的制備能力有很大的提升。

圖6 MBE-VI型設(shè)備在莫斯科舉辦的“中國科技日”展覽，圖片的左側(cè)是MBE-IV設(shè)備

1989年在莫斯科舉辦“中國科技日”，在中國科學(xué)院支持下，由物理所與沈陽科儀廠聯(lián)合，將MBE-VI運抵莫斯科參展，顯示了中國在高科技領(lǐng)域的成就。該設(shè)備是展覽會上大型設(shè)備之一(圖6)。

MBE一般都是使用固體的高純材料做分子束爐的源材料，在生長材料體系上有一定的局限性，例如較難生長含磷化合物及含氮化合物。而有機源分子束外延(MOMBE)技術(shù)能夠彌補其不足。國產(chǎn)的MOMBE設(shè)備是“七五”期間由半導(dǎo)體所聯(lián)合沈陽科儀廠研制成功的。該設(shè)備全程由計算機控制生長過程，可以生長量子阱超晶格復(fù)雜結(jié)構(gòu)。20世紀90年代，半導(dǎo)體所用這臺設(shè)備成功生長了GaAs、InP、InGaAs/(100)InP和GaAs/InGaAs多量子阱材料，X光雙晶衍射觀察到十級衍射峰，表示材料有較高質(zhì)量^[4]。

半導(dǎo)體所研制的金屬有機源分子束外延設(shè)備與MBE-VI型分子束外延設(shè)備聯(lián)合申報，獲得1993年的國家科技進步二等獎。

分子束外延設(shè)備不斷地改進和發(fā)展，外延生長技術(shù)的不斷提高，極大地促進了我國與分子束外延材料質(zhì)量息息相關(guān)的基礎(chǔ)研究及器件研制的發(fā)展。

我國的MBE材料生長研究是從GaAs-AlGaAs體系起步的。1981年開始GaAs-AlGaAs超晶格微結(jié)構(gòu)生長，獲得了較好性能的調(diào)制摻雜GaAs-AlGaAs高電子遷移率場效應(yīng)晶體管(HEMT)結(jié)構(gòu)。與電子工業(yè)部門研究所合作，很快制作成12 GHz的低噪聲微波器件、功率HEMT器件及直接耦合場效應(yīng)邏輯11級和25級HEMT環(huán)形振蕩器。

1986年中科院半導(dǎo)體所研制出利用量子阱結(jié)構(gòu)作為有源區(qū)的激光器，實現(xiàn)室溫激射之后，又實現(xiàn)了室溫連續(xù)激射，閾值電流密度達到946 A/cm²。6 μm寬單條MQW-LD的線性輸出功率大于100 mW^[4]。由于多量子阱結(jié)構(gòu)對載流子及光的雙重限制作用，會大幅提升發(fā)光器件的性能，被廣泛用于半導(dǎo)體各類激光器和半導(dǎo)體多種波長的發(fā)光二極管中。

在電子工業(yè)部研究所使用科學(xué)院的幾個研究所制備的MBE材料成功研制HEMT微波器件后，國家科技攻關(guān)主管部門已認識到利用中國科學(xué)院的研究所制作MBE材料的優(yōu)勢，與電子工業(yè)部研究所器件研制優(yōu)勢結(jié)合起來，是快速推進我國與MBE材料相關(guān)的微波器件研制的有效方式。此后中科院的幾個研究所都參加了與MBE材料有關(guān)的科技攻關(guān)任務(wù)。20世紀80年代中期國際上出現(xiàn)了以應(yīng)變層作為電子溝道層的所謂PHEMT結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)是在HEMT結(jié)構(gòu)的GaAs和AlGaAs層之間加了一層應(yīng)變的InGaAs，其電學(xué)性能明顯優(yōu)于HEMT結(jié)構(gòu)。PHEMT材料，一種只在AlGaAs層中進行平面摻雜，適合制作微波低噪聲器件；另一種是在AlGaAs和GaAs都進行的雙平面摻雜，在溝道里獲得更高的電子濃度，適合制作功率器件。

到“八五”科技攻關(guān)階段，電子工業(yè)部的器件研究所利用科學(xué)院提供的單平面及雙平面摻雜的PHEMT材料制作了一系列性能優(yōu)良的微波器件，例如：制備了8 mm低噪聲三端器件，特征頻率f_o = 35 GHz，噪聲系數(shù)F_n = 2.46 dB，增益G_a > 6.95 dB，成功填補了國內(nèi)空白，并用于某工程雷達上；研制成Ku波段的低噪聲單片，f_o = 11.7—12.2 GHz，F_n = 1.8 dB，G_a = 14 dB；制作成功K_u波段功率單片，在15.5—16 GHz下，P_o = 1.7 W輸出，跨導(dǎo)g_m > 300 mS/mm。研制成國內(nèi)首支8 mm功率PHEMT器件，通過電子部軍工基礎(chǔ)局技術(shù)鑒定，認為達到當(dāng)時國際實驗室水平(當(dāng)時無商品)。上海冶金所在科技攻關(guān)任務(wù)中，承擔(dān)GaAs/AlGaAs異質(zhì)結(jié)雙極晶體管(HBT)的材料制備，器件的性能：β=50，特征頻率f_T = 7.5 GHz，在2 GHz工作頻率下，相關(guān)增益達13 dB。在國家科技攻關(guān)期間，物理所、半導(dǎo)體所等單位也將MBE外延片提供給中科院微電子中心，研制成功環(huán)形振蕩器及用移相掩膜技術(shù)制備的PHEMT等器件，提升了中科院研制微波器件的能力。

在制備包括多量子阱激光器在內(nèi)的光電器件材料方面，MBE方法漸漸被之后發(fā)展起來的金屬有機化合物氣相淀積(MOCVD)技術(shù)所取代。但是在制作微波場效應(yīng)器件方面，MBE方法具有不可取代的地位，這是因為MBE生長的GaAs緩沖層具有弱P型的半絕緣性能，非常有利于制作高性能的器件。至今，工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)高頻、高速場效應(yīng)晶體管都是使用MBE材料。

量子阱紅外探測器是半導(dǎo)體超晶格實際應(yīng)用的一個范例，它是基于量子阱子帶間光電子躍遷對紅外輻射的共振吸收制作而成的光導(dǎo)型紅外探測器(圖7)。其主要特點是中心響應(yīng)波長可以由生長參數(shù)調(diào)節(jié)，響應(yīng)速度快，制作工藝成熟，熱穩(wěn)定性好，一出現(xiàn)就得到國際上的重視。物理所是國內(nèi)首家提出研制GaAs/AlGaAs量子阱紅外探測器的單位。在國家自然科學(xué)基金支持下，1990年10月研制出我國第一支量子阱紅外探測器。1991年又獲重點基金項目資助，在原來已成功的45°光耦合式的基礎(chǔ)上，又成功研制出更有實際應(yīng)用價值的高水平光柵耦合式量子阱紅外探測器。因此獲得1993年中科院科技進步一等獎，及1995年國家科技進步三等獎。

圖7 (a)在沒有電場時多量子阱的能帶圖，腳標A代表AlGaAs勢壘材料，腳標B代表GaAs量子阱材料；(b)加了電場時，紅外幅射引起光電流的示意圖

在國產(chǎn)MBE設(shè)備的支持下，國內(nèi)MBE材料的研究在多種材料體系及各種基礎(chǔ)研究方面獲得了進展，例如：(1)在InP襯底上生長的InGaAs/InAlAs異質(zhì)結(jié)調(diào)制摻雜HEMT及PHEMT器件，其性能優(yōu)于GaAs襯底上的HEMT；(2)開展了含Sb的III—V族化合物的生長，在GaSb襯底上成功生長了制備光導(dǎo)探測器的材料；(3)開展了PbSnTe/PbTe、SnTe/PbTe量子阱材料的研究；(4)在GaAs襯底上生長了ZnSe-ZnS，ZnSe-ZnSe_1-xTe_x超晶格，并開展了相關(guān)研究；(5)在InP襯底上生長了ZnSe/ZnTe超晶格，進行了一系列光學(xué)性質(zhì)的研究；(6)對GaAs/AlGaAs量子阱結(jié)構(gòu)的量子尺寸效應(yīng)、量子限制斯塔克效應(yīng)、共振隧穿效應(yīng)進行了廣泛的基礎(chǔ)物理研究及器件應(yīng)用研究；(7)含Hg的II—VI族窄禁帶化合物是制作紅外探測器的重要材料，中科院上海技術(shù)物理所在用MBE方法制備HgCdTe紅外探測器上做了大量工作，獲得了一系列重要結(jié)果。

國內(nèi)MBE生長的量子阱、超晶格及各種微結(jié)構(gòu)，促進了該領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究，在國家層面上的一個重大布局是中科院半導(dǎo)體所在1988年開始籌建半導(dǎo)體超晶格國家重點實驗室，實驗室以研究和探索半導(dǎo)體量子阱超晶格體系中的新現(xiàn)象和新效應(yīng)為主要目標，獲得了一系列的研究成果，提升了我國在半導(dǎo)體光電子和光子信息方面的國際競爭力。

20世紀80年代末，國內(nèi)MBE技術(shù)的發(fā)展促使西方解除了對中國MBE設(shè)備的禁運，之后國內(nèi)的MBE市場基本上被進口設(shè)備所壟斷，其原因值得國人深思?？偟膩碚f，國內(nèi)分子束設(shè)備制造雖然經(jīng)歷了4個型號，但是每個型號結(jié)束后，再也沒有投入對設(shè)備的研發(fā)，也就是缺乏持續(xù)發(fā)展的能力。此外，國內(nèi)與MBE技術(shù)相配套的超高真空部件的制造水平較差，致使設(shè)備的總體性能、可靠性及穩(wěn)定性比較差，故障率比較高。如果當(dāng)時多用國外采購來彌補國內(nèi)某些方面的不足，國產(chǎn)MBE設(shè)備與進口設(shè)備有可能并行發(fā)展，畢竟國產(chǎn)設(shè)備的價格低得多，維修服務(wù)也會更快捷。

國產(chǎn)分子束外延設(shè)備的發(fā)展經(jīng)歷了近15個年頭，創(chuàng)立了研究所與設(shè)計及制造方緊密合作，不斷互相反饋，攜手前進的典范。使中國的分子束外延技術(shù)不僅從無到有，而且從實驗型發(fā)展到了應(yīng)用型，大大促進了我國與分子束外延材料有關(guān)的微波器件、光電器件的研制以及量子阱超晶格的物理研究，爭取到了十余年的時間。不僅如此，分子束外延設(shè)備制造技術(shù)也帶動了國內(nèi)超高真空技術(shù)的進步，例如用可伐金屬與玻璃封接的超高真空觀察窗、焊接波紋管、高真空用的多維操作的樣品架、陶瓷密封電極等，都成為了商用產(chǎn)品。國內(nèi)分子束外延技術(shù)及外延材料的發(fā)展過程為中國科技工作者不畏西方的禁運，自強不息、自力更生發(fā)展我國科學(xué)技術(shù)，留下了光輝的一頁。2000年分子束外延國際會議第一次在中國召開，中科院半導(dǎo)體所林蘭英院士任會議主席，物理所周均銘任大會副主席兼組織委員會主席，與會外賓近200人，會議的成功召開充分展示了國內(nèi)自主發(fā)展的分子束外延技術(shù)，為我國分子束外延技術(shù)在國際上取得的地位做出了重要貢獻。