晶圆衬底大盘点：一文搞懂衬底种类

嗨，我是阿诚，这是我的第146篇文章，今天聊聊#晶圆衬底。

在芯片制造这场精密工业大戏中，晶圆衬底就是舞台最底层的“地基”。它承载着上百层复杂工艺，对芯片性能、功耗、成本、可靠性有着决定性影响。衬底选得好，芯片才能飞起来；选得差，再好的设计也会打折。那今天就来讲讲，这些晶圆衬底都有哪些门派，各自有啥看家本领。

硅

首先，江湖地位最稳的当属“硅”。它占据了全球95%以上的市场份额，靠的是便宜、成熟、好用。硅材料来源丰富（二氧化硅满地都是），加工工艺早已炉火纯青，CMOS技术一脉相承，尺寸越做越大，12英寸是主流，18英寸也在推进。不过硅也有短板，比如带隙小（1.12eV），发热时容易漏电，不适合高温高压场景；另外它是间接带隙，发光效率极低，基本不可能用来做LED。

砷化镓

当频率和光电转换成为刚需时，就得上砷化镓（GaAs）了。它的电子迁移率是硅的5-6倍，适合做5G 射频前端、高速通信、激光器等高频光电器件。更妙的是它是直接带隙材料，发光效率高，是LED和红外光源的好材料。但缺点也明显：材料贵、晶体难种、良率不高，还容易碎，加工风险高，尺寸一般只有4-6英寸。

碳化硅

如果你要应对高压、大电流，比如电动车驱动、工业电源、航天设备，那碳化硅（SiC）就是不二之选。它带隙宽、热导高、耐高温，击穿电压是硅的10倍，导热率是硅的3倍，性能拉满。但这些优势也带来了高门槛：长晶慢、缺陷多、成本高（比硅贵5-10倍），目前主流还是4-6英寸，8英寸还在爬坡。

氮化镓

氮化镓（GaN）可以说是近年崛起最快的明星材料之一，集高频、高压、低能耗于一身，快充、电源管理、5G射频、蓝光LED它样样精通。它的带隙比SiC还大（3.4eV），导通电阻低，电子迁移率也非常优秀。但GaN衬底难种，目前大多数都是异质外延，长在硅、蓝宝石或者SiC上——这虽然降低了成本，但也带来了晶格失配、缺陷率高等问题。纯GaN衬底虽然性能好，但价格贵得离谱，一片2英寸的都能卖几千美金。

磷化铟

在光通信领域，磷化铟（InP）才是王者。它既能高速传输（电子迁移率比GaAs还高），又拥有和光纤完美匹配的带隙，成为1.3-1.55微米波段激光器的核心材料。但InP的硬伤是成本极高，衬底比硅贵百倍，尺寸又小，做不了大规模通用芯片。

此外还有一些辅助性衬底，比如蓝宝石（Al?O?），广泛用于LED外延生长，便宜、绝缘、透明，是照明领域的好搭档；但晶格与GaN不匹配，容易导致缺陷，而且导热性很差，限制了高功率LED的发展。还有氧化铝、氮化铝、氧化铍等陶瓷衬底，它们并不直接参与器件生长，而是作为高功率封装的散热基板，绝缘性与导热性兼具，属于幕后英雄。

一些“高端实验选手”也逐渐露面。比如SOI（Silicon on Insulator）结构，通过“硅-氧化层-硅”的夹层结构，降低寄生电容，适合射频、MEMS和低功耗芯片；金刚石衬底更是未来极端散热应用的希望之星，热导率高得惊人（＞2000W/mK），但目前受限于技术与成本，还处于研发阶段。

总结来看，不同衬底的性能差异巨大，从带隙、电子迁移率、热导率到晶圆尺寸、加工难度、生态兼容性，各有优劣。选谁，得看你是造CPU、做快充，还是搞光通信。大致规律是：通用芯片首选硅；要快就选GaAs/InP；要抗压选SiC/GaN；要省钱那还得回到硅；而LED最吃香的依然是蓝宝石衬底。