半导体衬底是制造半导体器件的基础材料，其选择直接影响器件性能和加工工艺。随着微纳加工技术的进步和MEMS（微机电系统）代工需求的增长，衬底材料的多样性及适配性变得尤为重要。以下从材料类型、结构特性、应用场景等方面分类，并结合微纳加工与MEMS代工需求进行解析。

1. 按材料类型分类

(1) 元素半导体衬底
硅（Si）
应用广泛的半导体材料，占微纳加工市场的90%以上。
优势：成本低、晶圆尺寸大（12英寸为主）、氧化层（SiO₂）绝缘性能好，适合CMOS工艺。
应用：集成电路（IC）、MEMS传感器（如加速度计、陀螺仪）、功率器件等。
锗（Ge）
早期用于晶体管，但因漏电流问题逐渐被硅取代。

现代应用：作为高迁移率沟道材料，用于FinFET或纳米片晶体管（3nm以下先进制程）。

(2) 化合物半导体衬底
III-V族化合物（GaAs、InP、GaN）
砷化镓（GaAs）：高频特性优异，用于5G射频（RF）器件、光通信激光器。
磷化铟（InP）：超高速光电器件（100G以上光模块）。
氮化镓（GaN）：高功率、高温应用（快充、雷达、电力电子），需特殊微纳加工技术（如干法刻蚀）。
碳化硅（SiC）
宽禁带半导体，耐高压、高温，适用于电动汽车逆变器、工业电源模块。
MEMS代工挑战：硬度高，晶圆切割和刻蚀难度大，需优化加工工艺。
氧化镓（Ga₂O₃）

超宽禁带（~4.8 eV），潜在应用在超高压器件，但微纳加工技术尚不成熟。

2. 按结构分类

(1) 体衬底（Bulk Substrate）

由单晶材料（如硅锭）切割而成，成本低，广泛用于MEMS代工（如压力传感器、麦克风）。

缺点：晶格缺陷可能影响器件良率，需严格质量控制。

(2) 外延衬底（Epitaxial Substrate）
在衬底上生长单晶薄膜（如Si/Si、GaN/SiC），减少缺陷，提升器件性能。
关键应用：
SOI（绝缘体上硅）：硅层-埋氧层-硅衬底，降低寄生电容，用于RF MEMS、低功耗IC。

GaN-on-Si：降低成本，适用于功率电子和LED制造。

(3) 复合衬底

异质集成（如GaAs/Si、LiNbO₃/Si），用于光电子集成和MEMS-IC混合系统。

3. 衬底在微纳加工与MEMS代工中的关键考量

(1) 微纳加工适配性
硅基衬底：光刻、刻蚀、沉积工艺成熟，适合大规模IC制造。
化合物半导体（GaAs、GaN）：需特殊刻蚀技术（如ICP-RIE）和晶圆键合工艺。

柔性衬底（PI、PET）：用于柔性电子，需低温微纳加工技术（如喷墨打印、激光直写）。

(2) MEMS代工需求
硅衬底：主流选择，适用于惯性传感器、光学MEMS（如DLP微镜）。
SOI衬底：提高MEMS结构精度（如高精度陀螺仪）。

压电衬底（LiNbO₃、AlN）：用于声波滤波器（BAW/FBAR）和超声传感器。

4. 未来趋势

异质集成：硅基+化合物半导体（如SiPh+GaN），推动5G、自动驾驶发展。
先进封装：晶圆级封装（WLP）要求衬底与TSV（硅通孔）技术兼容。
MEMS代工升级：更大晶圆尺寸（8英寸GaN）、更高精度刻蚀（纳米级结构）。
总结
半导体衬底的选择需综合考虑材料特性（禁带宽度、迁移率）、微纳加工适配性、MEMS代工需求等因素。硅基衬底仍占主导，但宽禁带半导体（SiC、GaN）和异质集成衬底（如SOI）在高端应用中愈发重要。未来，随着微纳加工技术的进步，衬底材料将向更高性能、更低成本方向发展，推动半导体产业持续创新。