藍寶石是一種氧化物晶體，又名剛玉，主要化學成分是氧化鋁(Al2O3)，純凈的氧化鋁晶體呈無色透明狀.
這里提到的襯底(substrate)其實是指用于外延生長晶體薄膜的單晶晶片，也叫基片。它既可以在半導體領域中直接進入晶圓制造環(huán)節(jié)生產(chǎn)半導體器件，也可以在經(jīng)過切、磨、拋等仔細加工后，在一定條件下作為外延生長的基礎，讓同種或另一種單晶體在其表面上定向生長。
襯底本身可能有某種特殊功能和用途，也可能只是用來作新材料的襯底，本身并無其它特別用途。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寶石、Si、SiC等，其中藍寶石的用量尤其大。
那藍寶石為什么能受歡迎呢，主要有以下幾個原因：
①藍寶石襯底的生產(chǎn)技術成熟、器件質量較好；
②藍寶石的穩(wěn)定性很好，能夠運用在高溫生長過程中；
③藍寶石的機械強度高，易于處理和清洗。
目前，包括半導體在內許多材料生產(chǎn)都會采用藍寶石作為基片/襯底。而生產(chǎn)藍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寶石晶體的純度和透光性，進而提升藍寶石材料的使用性能。
二、藍寶石襯底可生長的材料
藍寶石單晶因其優(yōu)良的機械性能、介電性能（適中的介電常數(shù)和較低的介電損耗）、化學穩(wěn)定性以及高表面平滑度而成為制備高溫超導薄膜、紅外光學材料、微電子器件等的最優(yōu)質基片和襯底材料。
目前能夠在藍寶石襯底上生長的材料有很多，以下小編就挑一些最近比較受大家關注的領域來講講~
1.光電器件
藍寶石襯底在該領域能生長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。藍寶石晶體結構與GaN相同，為六方結構。藍寶石的帶隙寬、折射率低(1.7)、化學穩(wěn)定性好，在1000℃高溫也不與氫氣發(fā)生反應，可用于高溫生長，透光、技術成熟。目前藍寶石作為襯底，生產(chǎn)技術成熟、器件質量、穩(wěn)定性都較好，能夠運用在高溫生長過程中，機械強度高，易于處理和清洗，由于襯底性能限制，很難應用到射頻和功率領域（不過也不一定，具體可看下文），目前應用于LED產(chǎn)業(yè)，主流為4英寸。
PS：目前藍寶石在LED襯底的應用在所有下游消費中的占比為80%，受相關政策的推動近年藍寶石的需求量穩(wěn)步提升，市場規(guī)模也持續(xù)保持著增長趨勢。
另外值得一提的是，如果想要改善GaN薄膜的晶體質量，也可以選擇生長良好的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，藍寶石更能被拋光出更高的表面質量，提高薄膜的質量，因此已經(jīng)成功運用到Ⅲ族氮化物的生長。相關報道已經(jīng)證明，采用金屬有機化學物氣相沉積或者分子束外延的方法制備 AIN 薄膜，由于藍寶石的穩(wěn)定性及共享的 c 軸六角空間群，（0001）取向的藍寶石是AlN薄膜外延生長的合適襯底。
2.毫米波射頻芯片
雖然上面說了藍寶石很難應用到射頻和功率領域，但也有勇士明知山有虎偏向虎山行。去年10月GaN功率轉換產(chǎn)品全球供應商Transphorm宣布獲得美國國防部高級研究計劃局一份價值140萬美元的合同。根據(jù)合同，Transphorm將開發(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寶石襯底來開發(fā)氮極性氮化鎵解決方案，因為這樣操作的話，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英寸藍寶石基GaN晶圓的成本降低了2-3倍左右。
不過這項計劃還在進行中，也不知道何時能成功并投入商業(yè)化。Transphorm首席技術官兼聯(lián)合創(chuàng)始人 Mishra博士是這么說的：“藍寶石是具有吸引力的材料，但因為低導熱性一直被忽視。我們相信，通過創(chuàng)新工程，我們的項目團隊可以克服這一限制，讓射頻外延客戶能夠以美元級實現(xiàn)更高效的射頻功率。”
3.高溫超導薄膜
現(xiàn)代電子技術，尤其是微波電子無源器件技術，是以薄膜技術的發(fā)展為基礎的，因此高溫超導薄膜成為現(xiàn)代微波電子器件應用中一個重要的研究課題。
根據(jù)二流體模型、高溫超導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，高溫超導薄膜的微波表面電阻比銅低1~2個數(shù)量級，且用高溫超導薄膜制備的微波無源器件具有很高的品質因數(shù)，因此在微波領域的應用中，以Tl系薄膜為代表的高溫超導薄膜可以顯著的改善微波無源器件的性能，相比傳統(tǒng)材料具有明顯的優(yōu)勢。目前，高溫超導器件尤其是微波無源器件已開始廣泛應用于電子通信領域，而高溫超導薄膜則是制作超導微波器件的基本載體。
在制備Tl系高溫超導薄膜的眾多襯底材料中，藍寶石和 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域的應用。特別是大面積的藍寶石單晶基片價格相對較低，對高溫超導薄膜在微波領域中的應用和推廣有著重要的意義。
4.紅外光學材料
中紅外波段 3~5μm 是紅外探測器常用的一個窗口，探測器在使用過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作用的紅外增透膜。
藍寶石晶體在紫外波段、可見光波段、紅外波段都具有良好的透過率，因而常被用作高強度激光器的窗口材料。但作為中紅外波段3~5μm窗口材料藍寶石基底的透過率滿足不了使用要求，應用于高能激光系統(tǒng)中也非常容易損壞。因此，在藍寶石襯底表面設計、制備能提高透過率又具有抗激光損傷能力的減反射薄膜來彌補白身性能的不足。
對薄膜材料的選擇，首先要考慮的是薄膜材料的光學性能，如折射率、消光系數(shù)、透射波段以及膜料在設計波段的吸收、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是研究其性能和探索其應用的基礎前提。在眾多的材料制備方法中，過渡金屬表面化學氣相沉積(CVD)法可以實現(xiàn)大面積和高質量的石墨烯材料的制備。該方法的特點是成本低、工藝簡單并適合大規(guī)模工業(yè)化生長。
傳統(tǒng)CVD法制備石墨烯采用Ni、Cu等催化金屬襯底，其生長利用了金屬碳高溫溶解和低溫析出的原理，存在碳固溶的問題。藍寶石襯底表面致密，碳源氣體中的C原子很難進入襯底內部，不存在碳固溶的問題。而且，藍寶石表面生長的石墨烯材料無需進行襯底轉移，避免了轉移過程中引入的雜質，界面和摻雜電荷等散射源。此外，藍寶石表層石墨烯與襯底之間沒有強相互作用力，有利于保持石墨烯本身優(yōu)良的電學特性。因此，藍寶石襯底CVD法生長石墨烯在材料制備及應用領域具有非常高的價值。
