分子束外延（MBE）是一种超高真空（UHV）薄膜沉积技术，被广泛认为是最可控和最高纯度的沉积形式，目前用于研发和大规模生产。
MBE是指在超高真空环境中将晶体衬底保持在一定的生长温度，所生长材料组成的元素放在独立的源炉中，通过控制源炉温度，以热蒸发形式实现定量可控的分子束并射向晶体衬底，超高背景真空保证每一束里的粒子不经历互相碰撞，到达晶体表面的各种分子原子经历表面吸附、裂解、表面迁移和成键等系列过程形成外延层晶体，是一个复杂的动力学物理过程。通过独立控制每个源炉的温度和前面挡板开关和时间，可以实现不同材料的异质外延生长、材料厚度、合金组分和掺杂浓度。
分子束外延设备一般由生长室、预处理室和传样室组成，生长室是设备的核心部分。传样室用于放取衬底和外延材料，预处理室用于外延生长之前衬底的表面预处理和临时存放样品。生长室主要由真空系统、控制系统和原位监测系统组成，通过优化设计和使用低温泵、离子泵可以实现生长室的超高真空，在样品架和各源炉的高温部件周围巧妙设计使用液氮冷屏，既保证各源炉之间互不干扰，又能高效吸附到达腔壁的原子分子，有效保证了超高背景真空，从而实现超低背景杂质和超高电子迁移率的半导体异质结材料。
控制系统包括样品传输、样品架旋转、源炉挡板开关和源炉温度的机械和电学控制，包括各种电源、控制器、气压和温度传感器以及控制外延生长软件和设备安全控制。
MBE中最常用的原位监测工具是反射高能电子衍射（RHEED）。RHEED技术利用一个高能（通常>=15 keV）的电子束以接近垂直入射的方式照射到衬底（通常为2°），使其与表面层发生衍射，并在荧光屏上形成衍射图案。通过分析衍射图案，可获得关于表面的丰富信息，包括晶体结构、原子间距、表面质量和生长速率，这是其它外延技术无法实现的。
分子束外延广泛用于半导体高速微电子、光电子和量子信息等领域材料和器件研发和生产，是高端信息功能材料不可或缺的工业制备技术。
