藍(lán)寶石是一種氧化物晶體，又名剛玉，主要化學(xué)成分是氧化鋁(Al2O3)，純凈的氧化鋁晶體呈無(wú)色透明狀.
這里提到的襯底(substrate)其實(shí)是指用于外延生長(zhǎng)晶體薄膜的單晶晶片，也叫基片。它既可以在半導(dǎo)體領(lǐng)域中直接進(jìn)入晶圓制造環(huán)節(jié)生產(chǎn)半導(dǎo)體器件，也可以在經(jīng)過(guò)切、磨、拋等仔細(xì)加工后，在一定條件下作為外延生長(zhǎng)的基礎(chǔ)，讓同種或另一種單晶體在其表面上定向生長(zhǎng)。
襯底本身可能有某種特殊功能和用途，也可能只是用來(lái)作新材料的襯底，本身并無(wú)其它特別用途。以往作為薄膜襯底的材料有玻璃、陶瓷和金屬板材等，但現(xiàn)在比較主流的就是藍(lán)寶石、Si、SiC等，其中藍(lán)寶石的用量尤其大。
那藍(lán)寶石為什么能受歡迎呢，主要有以下幾個(gè)原因：
①藍(lán)寶石襯底的生產(chǎn)技術(shù)成熟、器件質(zhì)量較好；
②藍(lán)寶石的穩(wěn)定性很好，能夠運(yùn)用在高溫生長(zhǎng)過(guò)程中；
③藍(lán)寶石的機(jī)械強(qiáng)度高，易于處理和清洗。
目前，包括半導(dǎo)體在內(nèi)許多材料生產(chǎn)都會(huì)采用藍(lán)寶石作為基片/襯底。而生產(chǎn)藍(lán)寶石晶體主要消耗的原料為高純氧化鋁，高純度的氧化鋁粉可以提高藍(lán)寶石晶體的純度和透光性，進(jìn)而提升藍(lán)寶石材料的使用性能。
二、藍(lán)寶石襯底可生長(zhǎng)的材料
藍(lán)寶石單晶因其優(yōu)良的機(jī)械性能、介電性能（適中的介電常數(shù)和較低的介電損耗）、化學(xué)穩(wěn)定性以及高表面平滑度而成為制備高溫超導(dǎo)薄膜、紅外光學(xué)材料、微電子器件等的最優(yōu)質(zhì)基片和襯底材料。
目前能夠在藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)的材料有很多，以下小編就挑一些最近比較受大家關(guān)注的領(lǐng)域來(lái)講講~
1.光電器件
藍(lán)寶石襯底在該領(lǐng)域能生長(zhǎng)的代表材料就是氮化鎵(GaN)。GaN的鼎鼎大名響徹材料界，所以這里就不多加介紹了。藍(lán)寶石晶體結(jié)構(gòu)與GaN相同，為六方結(jié)構(gòu)。藍(lán)寶石的帶隙寬、折射率低(1.7)、化學(xué)穩(wěn)定性好，在1000℃高溫也不與氫氣發(fā)生反應(yīng)，可用于高溫生長(zhǎng)，透光、技術(shù)成熟。目前藍(lán)寶石作為襯底，生產(chǎn)技術(shù)成熟、器件質(zhì)量、穩(wěn)定性都較好，能夠運(yùn)用在高溫生長(zhǎng)過(guò)程中，機(jī)械強(qiáng)度高，易于處理和清洗，由于襯底性能限制，很難應(yīng)用到射頻和功率領(lǐng)域（不過(guò)也不一定，具體可看下文），目前應(yīng)用于LED產(chǎn)業(yè)，主流為4英寸。
PS：目前藍(lán)寶石在LED襯底的應(yīng)用在所有下游消費(fèi)中的占比為80%，受相關(guān)政策的推動(dòng)近年藍(lán)寶石的需求量穩(wěn)步提升，市場(chǎng)規(guī)模也持續(xù)保持著增長(zhǎng)趨勢(shì)。
另外值得一提的是，如果想要改善GaN薄膜的晶體質(zhì)量，也可以選擇生長(zhǎng)良好的AIN薄膜作為GaN的緩沖層（AIN與GaN有更好的晶格匹配和熱匹配）。與Si相比，藍(lán)寶石襯底與AIN有更好的晶格匹配，而和硬度極高的6H-SiC相比，藍(lán)寶石更能被拋光出更高的表面質(zhì)量，提高薄膜的質(zhì)量，因此已經(jīng)成功運(yùn)用到Ⅲ族氮化物的生長(zhǎng)。相關(guān)報(bào)道已經(jīng)證明，采用金屬有機(jī)化學(xué)物氣相沉積或者分子束外延的方法制備 AIN 薄膜，由于藍(lán)寶石的穩(wěn)定性及共享的 c 軸六角空間群，（0001）取向的藍(lán)寶石是AlN薄膜外延生長(zhǎng)的合適襯底。
2.毫米波射頻芯片
雖然上面說(shuō)了藍(lán)寶石很難應(yīng)用到射頻和功率領(lǐng)域，但也有勇士明知山有虎偏向虎山行。去年10月GaN功率轉(zhuǎn)換產(chǎn)品全球供應(yīng)商Transphorm宣布獲得美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局一份價(jià)值140萬(wàn)美元的合同。根據(jù)合同，Transphorm將開(kāi)發(fā)和制造氮極性(N-polar) GaN解決方案。
令人驚奇的是，Transphorm表示他們將探索使用藍(lán)寶石襯底來(lái)開(kāi)發(fā)氮極性氮化鎵解決方案，因?yàn)檫@樣操作的話，成本效益將比傳統(tǒng)的鎵極性SiC解決方案高很多——據(jù)了解，與4英寸SiC相比，4英寸藍(lán)寶石基GaN晶圓的成本降低了2-3倍左右。
不過(guò)這項(xiàng)計(jì)劃還在進(jìn)行中，也不知道何時(shí)能成功并投入商業(yè)化。Transphorm首席技術(shù)官兼聯(lián)合創(chuàng)始人 Mishra博士是這么說(shuō)的：“藍(lán)寶石是具有吸引力的材料，但因?yàn)榈蛯?dǎo)熱性一直被忽視。我們相信，通過(guò)創(chuàng)新工程，我們的項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)可以克服這一限制，讓射頻外延客戶能夠以美元級(jí)實(shí)現(xiàn)更高效的射頻功率?！?/p>
3.高溫超導(dǎo)薄膜
現(xiàn)代電子技術(shù)，尤其是微波電子無(wú)源器件技術(shù)，是以薄膜技術(shù)的發(fā)展為基礎(chǔ)的，因此高溫超導(dǎo)薄膜成為現(xiàn)代微波電子器件應(yīng)用中一個(gè)重要的研究課題。
根據(jù)二流體模型、高溫超導(dǎo)材料的微波表面電阻與頻率的平方成反比，在10 GHz頻率液氮溫度下，高溫超導(dǎo)薄膜的微波表面電阻比銅低1~2個(gè)數(shù)量級(jí)，且用高溫超導(dǎo)薄膜制備的微波無(wú)源器件具有很高的品質(zhì)因數(shù)，因此在微波領(lǐng)域的應(yīng)用中，以Tl系薄膜為代表的高溫超導(dǎo)薄膜可以顯著的改善微波無(wú)源器件的性能，相比傳統(tǒng)材料具有明顯的優(yōu)勢(shì)。目前，高溫超導(dǎo)器件尤其是微波無(wú)源器件已開(kāi)始廣泛應(yīng)用于電子通信領(lǐng)域，而高溫超導(dǎo)薄膜則是制作超導(dǎo)微波器件的基本載體。
在制備Tl系高溫超導(dǎo)薄膜的眾多襯底材料中，藍(lán)寶石和 MgO單晶基片具有適中的介電常數(shù)和較低的微波損耗，因此非常適合于在微波領(lǐng)域的應(yīng)用。特別是大面積的藍(lán)寶石單晶基片價(jià)格相對(duì)較低，對(duì)高溫超導(dǎo)薄膜在微波領(lǐng)域中的應(yīng)用和推廣有著重要的意義。
4.紅外光學(xué)材料
中紅外波段 3~5μm 是紅外探測(cè)器常用的一個(gè)窗口，探測(cè)器在使用過(guò)程可能受到高能量激光的輻射而損壞，因此有必要在紅外窗口表面制備具有激光防護(hù)作用的紅外增透膜。
藍(lán)寶石晶體在紫外波段、可見(jiàn)光波段、紅外波段都具有良好的透過(guò)率，因而常被用作高強(qiáng)度激光器的窗口材料。但作為中紅外波段3~5μm窗口材料藍(lán)寶石基底的透過(guò)率滿足不了使用要求，應(yīng)用于高能激光系統(tǒng)中也非常容易損壞。因此，在藍(lán)寶石襯底表面設(shè)計(jì)、制備能提高透過(guò)率又具有抗激光損傷能力的減反射薄膜來(lái)彌補(bǔ)白身性能的不足。
對(duì)薄膜材料的選擇，首先要考慮的是薄膜材料的光學(xué)性能，如折射率、消光系數(shù)、透射波段以及膜料在設(shè)計(jì)波段的吸收、高低折射率的配比，此外還必須考慮薄膜材料的機(jī)械性能。以下是目前常用的鍍膜材料的部分物理參數(shù)：
5.石墨烯
石墨烯材料的制備技術(shù)是研究其性能和探索其應(yīng)用的基礎(chǔ)前提。在眾多的材料制備方法中，過(guò)渡金屬表面化學(xué)氣相沉積(CVD)法可以實(shí)現(xiàn)大面積和高質(zhì)量的石墨烯材料的制備。該方法的特點(diǎn)是成本低、工藝簡(jiǎn)單并適合大規(guī)模工業(yè)化生長(zhǎng)。
傳統(tǒng)CVD法制備石墨烯采用Ni、Cu等催化金屬襯底，其生長(zhǎng)利用了金屬碳高溫溶解和低溫析出的原理，存在碳固溶的問(wèn)題。藍(lán)寶石襯底表面致密，碳源氣體中的C原子很難進(jìn)入襯底內(nèi)部，不存在碳固溶的問(wèn)題。而且，藍(lán)寶石表面生長(zhǎng)的石墨烯材料無(wú)需進(jìn)行襯底轉(zhuǎn)移，避免了轉(zhuǎn)移過(guò)程中引入的雜質(zhì)，界面和摻雜電荷等散射源。此外，藍(lán)寶石表層石墨烯與襯底之間沒(méi)有強(qiáng)相互作用力，有利于保持石墨烯本身優(yōu)良的電學(xué)特性。因此，藍(lán)寶石襯底CVD法生長(zhǎng)石墨烯在材料制備及應(yīng)用領(lǐng)域具有非常高的價(jià)值。
