分子束外延（MBE）是一種用于單晶薄膜沉積的外延方法。 MBE 廣泛用于制造包括晶體管在內的半導體器件，它被認為是納米技術發展的基本工具之一。 MBE 用于制造微波頻率的二極管和 MOSFET（MOS 場效應晶體管），以及制造用于讀取光盤（如 CD 和 DVD）的激光器。

MBE 工藝的原創理念首先由 Günther 提出。 他沉積的薄膜不是外延的，而是沉積在玻璃基板上。 隨著真空技術的發展，Davey和Pankey展示了MBE工藝，他們使用Günther的方法成功地在單晶GaAs襯底上生長了GaAs外延薄膜。 MBE 薄膜的主要后續發展得益于 J.R. Arthur 對生長機制動力學行為的研究以及 Alfred Y. Cho 在 1960 年代后期使用 RHEED 對 MBE 過程的原位觀察。

分子束外延發生在高真空或超高真空 (10?8–10?12 Torr) 中。 MBE 最重要的方面是允許薄膜外延生長的沉積速率（通常低于每小時 3,000 納米）。 這些沉積速率需要相應更好的真空度才能達到與其他沉積技術相同的雜質水平。 沒有載氣，以及超高真空環境，導致生長的薄膜可達到最高純度。

在固體源 MBE 中，超純形式的鎵和砷等元素在單獨的準克努森積液池或電子束蒸發器中加熱，直到它們開始緩慢升華。 氣態元素然后凝結在晶圓上，在那里它們可以相互反應。 在鎵和砷的例子中，形成了單晶砷化鎵。 當使用銅或金等蒸發源時，撞擊表面的氣態元素可能會被吸附（在撞擊原子將在表面周圍跳躍的時間窗之后）或被反射。 表面上的原子也可能解吸。 控制源的溫度將控制材料撞擊基材表面的速率，而基材的溫度將影響跳躍或解吸的速率。 由于原子的平均自由程較長，因此術語“束”意味著蒸發的原子在到達晶圓之前不會相互影響或與真空室氣體發生影響。

在操作過程中，反射高能電子衍射 (RHEED) 通常用于監測晶體層的生長。 一臺計算機控制每個爐子前面的百葉窗，可以精確控制每一層的厚度，精確到單層原子。 不同材料層的復雜結構可以通過這種方式制造。 這種控制允許開發可以將電子限制在空間中的結構，從而提供量子阱甚至量子點。 這些層現在是許多現代半導體器件的關鍵部分，包括半導體激光器和發光二極管。

在需要冷卻基板的系統中，生長室內的超高真空環境由低溫泵和低溫板系統維持，使用液氮或冷氮氣冷卻至接近 77 開爾文（-196 攝氏度）的溫度 ). 冷表面充當真空中雜質的吸收槽，因此真空水平需要好幾個數量級才能在這些條件下沉積薄膜。 在其他系統中，生長晶體的晶圓可以安裝在旋轉盤上，在運行期間可以加熱到幾百攝氏度。

分子束外延 (MBE) 也用于沉積某些類型的有機半導體。 在這種情況下，分子而不是原子被蒸發并沉積到晶圓上。 其他變體包括類似于化學氣相沉積的氣源 MBE。

MBE 系統也可以根據需要進行修改。 例如，氧氣源可以用于沉積氧化物材料，用于先進的電子、磁性和光學應用，以及用于基礎研究。 在這里，氧化劑的分子束用于實現多組分氧化物的所需氧化態。

分子束外延最成功的成就之一是納米結構，它允許形成原子級平坦和陡峭的異質界面。 這種結構在擴展物理學和電子學知識方面發揮了前所未有的作用。 最近，納米線的構造和內置在其中的量子結構允許信息處理，并可能與用于量子通信和計算的片上應用程序集成。 這些異質結構納米線激光器只能使用先進的 MBE 技術構建，允許單片集成。