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作者 问题:

为什么只用硅做CPU,却不用能耗更低的锗?

发布时间:2015-6-18 下午2:36

作者: 三牛为犇

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我们知道CPU就是在一张硅片上,刻几百万个晶体二极管。制成二极管,硅的开启电压(死区电压)需要0.5V,锗的开启电压只需0.1V。也就是锗CPU只需零点几的电压就能运行,比现在的1V低多了,也算CPU的革命吧。电压更低,意味发热量更少,集成度和频率可以更高。即便开发锗CPU有困难,也应该比脑动大开的量子CPU, 光子CPU,DNA CPU靠谱,究竟是什么让先行者们舍易取难?

解释一:

锗贵,发热大漏电大都是原因,但是这些还不是最根本的。
关键是硅的工艺太方便了。

硅做提纯,HF轻松一步搞到99.9以上。

硅做晶圆,单晶柱随便拉。

硅做绝缘层,有“上帝创造的”完美的硅/氧化硅界面。(这个是最重要的,所以换hkmg之后各种替代硅的材料才开始兴起)

硅做掺杂,金刚石结构退火一下晶格损伤自己修复。

硅做氧化,湿氧干氧cvd各种工艺任你挑选。

硅做刻蚀,有氧化硅掩膜,不行还有氮化硅,湿法干法都有**的选择比。

硅做微结构,还有各向异性刻蚀这种大杀器。

硅的工艺选择实在是太方便太丰富太便宜了,所以纵使硅的性能在深亚微米已经开始力不从心,工艺界还是舍不得抛弃硅,而是继续折腾各种新技术给硅续命...

另外阈值电压低不代表运行电压低。

因为电路依然是要电流驱动负载(一般是寄生电容)的。如果电源电压太低会使驱动电流太小,负载充放电速度会很慢,频率就上不去。

基础的数字电路动态功耗是cfv^2,只取决于电源电压、频率和负载电容。阈值影响的是v和f之间的限制关系,但这最终依然是一个频率和功耗的trade off,所以降低阈值并不一定能显著降低动态功耗。但是阈值太低一定会导致关断漏电高,显著增加静态功耗。。。

现在用锗的一般是看中锗的高迁移率来提高频率,或是用锗硅制备异质节,而不是因为阈值电压。

要说阈值电压的话。。。硅器件还有负阈值的耗尽型CMOS呢。。。调阈值不就一个掺杂的事情嘛。。。

解释二:

锗虽然有优点(比如开启电压、载流子迁移率),但它的几个缺点是很难克服的。

首先是价格。硅直接拿沙子就能制,虽然工艺复杂吧但是原料成本接近0.锗在地壳中分布非常分散,成品锗(还不是半导体级别)的价格就已经超越了白银,印象中将近2000美元一公斤。

其次很大一个问题就是锗的氧化物不稳定,不好用。二氧化硅是致密的绝缘体,力学电学化学性质都很稳定,不溶于水;氧化锗没那么致密,还是溶于水的。这一条基本就宣告了CPU无望。

还有锗器件在稍高的温度下表现不良的问题,以及锗本身比硅重,又比硅软,更容易碎;等等。而且现在整个半导体行业都以硅为基础,没人会开发锗的CPU。

目前锗的前途很大程度上在光电学方面,太阳能电池,光传感器,红外LED,锗激光器(这个已经被MIT做出来了,但不是大家想象中的激光笔那样子),等等。因为硅做激光完全不可能,锗又能比较容易地在硅上生长出来,因此大家的理想是将用锗做成的光学器件与硅做成的电子器件整合在一张硅片上。那就牛逼了。

我们目前是世界上唯一一个用Ge3H8和Ge4H10生长锗的研究组。目前我们在硅上面长锗已经能长得很好了,长出来的锗膜可以用来做衬底生长其他的半导体材料。我手头正在进行的一个课题是锗的in-situ doping, 已经出了两篇文章,还在继续努力中。。。
再说一句,近三五年来锗基半导体方面进展很大,但是不少同行还没完全了解这些进展。如果看以前的书本上讲的一些关于生长锗的局限,现在很多都已经被攻克了。以前人们说在硅上没办法直接长锗,还有得用高温,或者需要几个GeSi的buffer,十年前确实是这样。但现在我在三百多度的温度下直接在硅片上生长锗,出来的膜质量很不错。

解释三:

1947年,贝尔实验室研制出了世界上第一只点接触三极管,采用就是Ge材料,这奠定了微电子工业的基础。直到 20 世纪 50 年代末、 60 年代初以前的十几年间,锗都是双极型晶体管的主要支 撑材料。但是Ge材料存在以下几个问题:

1.锗的地壳含量很少,据估计地壳中锗的含量是 1.8 ppm(百万分之一),而硅的含量是 277100 ppm,这导致了过高的制造成本;

2.硅工艺中的SiO2/Si体系非常稳定并且界面态密度低、缺陷和陷阱少。而Ge的氧化物非常不稳定,在400度以上还容易发生解析反应,所以器件制作难度大、器件稳定性差和大的栅漏电 流,所以单一的GeOx/Ge结构难成为锗基 MOSFET 器件的理想栅介质和隔离层;

3.Ge的禁带宽度只有0.66eV,相比于Si的1.12eV,这就导致Ge器件比较容易被击穿,静态功耗就大了;

4.现有水平制备出的Ge衬底,达不到Si的纯度和低界面态密度。

由于存在以上问题,60年代之后Si逐渐取代了Ge。当然,随着工艺尺寸的不断缩小,Si材料将达到其物理极限(电子和空穴迁移率过低是硬伤),Ge或者Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体或许是作为沟道材料的一个很好选择。

现阶段U-Tokyo,Stanford,Purdue,MIT基本上代表了Ge或者Ⅲ-ⅤMOS器件研究领域最高水平,主要研究方向是降低界面态密度情况下减小EOT(等效氧化物厚度),新的高k介质还有与Si基集成等。国内也有一些高校在做,比如THU、PKU、FUDAN、NJU等。

解释四:

首先,因为硅有SiO2/Si这对逆天完美组合,界面缺陷少,绝缘体禁带宽度大,体缺陷密度低,所以是极佳的MOSFET器件材料。反之,GeO2/Ge在400度开始发生GeO析出,这个温度又恰恰低于参杂激活所需要的退火温度550度。所以界面非常糟糕。

第二,源漏电极的接触非常糟糕。金属在源漏电极形成肖特基接触(而非欧姆接触)导致器件串联电阻很大。就意味着器件根本没法高速运作。而且n型Ge参杂浓度上限很低,导致n源区电阻很大

第三,虽然上述两个问题,都可以克服。但Ge基MOSFET器件阈值电压随使用时间会发生偏移,无法做稳定的逻辑运算。
当然,我们还是相信锗是好的,毕竟它的电子,空穴迁移率都是硅的两倍以上。
???标签: cpu
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第1楼

回复主题:为什么只用硅做CPU,却不用能耗更低的锗?

发布时间:2015-6-19 上午8:08

作者: elwlxj

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第2楼 回复主题:为什么只用硅做CPU,却不用能耗更低的锗? 发布时间:2015-6-19 上午9:43

作者: Sunnypig

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第3楼 回复主题:为什么只用硅做CPU,却不用能耗更低的锗? 发布时间:2015-6-19 下午1:19

作者:上海市的游客

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第4楼 回复主题:为什么只用硅做CPU,却不用能耗更低的锗? 发布时间:2015-6-19 下午1:35

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作者: JackyWu168

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作者: minyang3011

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作者: 银匠

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