晶圆衬底是半导体器件的物理载体，其材料特性直接影响器件的性能、成本和适用领域。以下是主要晶圆衬底种类及其优缺点：

1. 硅（Si）

• 占比：全球半导体市场的95%以上。

• 优点：

  成本低：原材料丰富（二氧化硅），制造工艺成熟，规模效应显著。

  工艺兼容性高：CMOS技术高度成熟，支持纳米级制程（如3nm）。

  晶格质量高：可生长大尺寸（12英寸为主，18英寸在研）、低缺陷单晶。

  机械性能稳定：易于切割、抛光和处理。

• 缺点：

  带隙较窄（1.12eV）：高温下漏电流大，功率器件效率低。

  间接带隙：发光效率极低，不适合光电器件（如LED、激光器）。

  电子迁移率有限：高频性能不如化合物半导体。

2. 砷化镓（GaAs）

• 应用：高频射频器件（5G/6G）、光电器件（激光器、太阳能电池）。

• 优点：

  高电子迁移率（硅的5-6倍）：适合高速、高频应用（毫米波通信）。

  直接带隙（1.42eV）：高效光电转换，是红外激光器和LED的基石。

  耐高温/辐射：适用于航天和高温环境。

• 缺点：

  成本高：材料稀缺，晶体生长难度大（易产生位错），晶圆尺寸小（6英寸为主）。

  机械脆性：易碎裂，加工良率低。

  毒性：砷元素需严格管控。

3. 碳化硅（SiC）

• 应用：高温/高压功率器件（电动车逆变器、充电桩）、航天。

• 优点：

  宽禁带（3.26eV）：耐高压（击穿场强是硅的10倍）、耐高温（工作温度＞200℃）。

  高热导率（硅的3倍）：散热效率高，提升系统功率密度。

  低开关损耗：提升电能转换效率。

• 缺点：

  衬底制备难：晶体生长缓慢（＞1周），缺陷控制难（微管、位错），成本极高（硅的5-10倍）。

  晶圆尺寸小：主流4-6英寸，8英寸在研发中。

  加工困难：硬度高（莫氏9.5），切割抛光耗时。

4. 氮化镓（GaN）

• 应用：高频功率器件（快充、5G基站）、蓝光LED/激光器。

• 优点：

  超高电子迁移率+宽禁带（3.4eV）：兼具高频（＞100 GHz）和高压特性。

  低导通电阻：降低器件能耗。

  可异质外延：常生长在硅、蓝宝石或SiC衬底上，降低成本。

• 缺点：

  体单晶制备难：主流为异质外延，存在晶格失配导致缺陷。

  成本高：自支撑GaN衬底价格昂贵（2英寸晶圆可达数千美元）。

  可靠性挑战：电流崩塌效应（Current Collapse）需优化。

5. 磷化铟（InP）

• 应用：高速光通信（激光器、探测器）、太赫兹器件。

• 优点：

  超高电子迁移率：支持＞100 GHz高频操作（优于GaAs）。

  直接带隙且波长匹配：是1.3-1.55μm光纤通信的核心材料。

• 缺点：

  脆性大、成本极高：衬底价格是硅的百倍以上，尺寸小（4-6英寸）。

6. 蓝宝石（Al₂O₃）

• 应用：LED照明（GaN外延衬底）、消费电子盖板。

• 优点：

  成本低：比SiC/GaN衬底便宜。

  化学稳定性好：耐腐蚀，绝缘性强。

  透明：适合垂直结构LED。

• 缺点：

  晶格失配GaN（＞13%）：外延层缺陷多，需缓冲层。

  导热性差（≈硅的1/20）：限制高功率LED性能。

7. 氧化铝/陶瓷基板（如AlN、BeO）

• 应用：高功率模块散热基板。

• 优点：

  绝缘性+高导热（AlN：170-230 W/mK）：适合高密度封装。

• 缺点：

  非单晶：不能直接生长器件，仅作封装基板。

8. 特殊衬底

• SOI（Silicon on Insulator）：

  结构：硅/二氧化硅/硅三明治。

  优点：降低寄生电容、抗辐射、抑制漏电（用于射频、MEMS）。

  缺点：成本比体硅高30-50%。

• 石英（SiO₂）：用于光掩模、MEMS，耐高温但脆性大。

• 金刚石：热导率（＞2000 W/mK）最高的衬底，研发中用于极端散热。

总结对比表

选型关键因素

1. 性能需求：高频选GaAs/InP，高压高温选SiC，光电选GaAs/InP/GaN。

2. 成本限制：消费电子优先硅基，高端领域可接受SiC/GaN溢价。

3. 集成复杂度：硅基CMOS兼容性无可替代。

4. 散热要求：高功率首选SiC或金刚石基GaN。

5. 供应链成熟度：硅＞蓝宝石＞GaAs＞SiC＞GaN＞InP。

未来趋势是异质集成（如硅上GaN、SiC上GaN），兼顾性能与成本，推动5G、电动车和量子计算的发展。