爲什麼 CPU 只用矽做,而不用能耗更低的鍺做

為什麼 CPU 只用硅做,而不用能耗更低的鍺做

為什麼 CPU 只用硅做,而不用能耗更低的鍺做

鍺貴,發熱大漏電大都是原因,但是這些還不是最根本的。

關鍵是硅的工藝太方便了。

硅做提純,HF輕鬆一步搞到99.9以上。

硅做晶圓,單晶柱隨便拉。

硅做絕緣層,有“上帝創造的”完美的硅/氧化硅界面。(這個是最重要的,所以換hkmg之後各種替代硅的材料才開始興起)

硅做摻雜,金剛石結構退火一下晶格損傷自己修復。

硅做氧化,溼氧幹氧cvd各種工藝任你挑選。

硅做刻蝕,有氧化硅掩膜,不行還有氮化硅,溼法幹法都有變態的選擇比。

硅做微結構,還有各向異性刻蝕這種大殺器。

硅的工藝選擇實在是太方便太豐富太便宜了,所以縱使硅的性能在深亞微米已經開始力不從心,工藝界還是捨不得拋棄硅,而是繼續折騰各種新技術給硅續命...

另外閾值電壓低不代表運行電壓低。

因為電路依然是要電流驅動負載(一般是寄生電容)的。如果電源電壓太低會使驅動電流太小,負載充放電速度會很慢,頻率就上不去。

基礎的數字電路動態功耗是cfv^2,只取決於電源電壓、頻率和負載電容。閾值影響的是v和f之間的限制關係,但這最終依然是一個頻率和功耗的trade off,所以降低閾值並不一定能顯著降低動態功耗。但是閾值太低一定會導致關斷漏電高,顯著增加靜態功耗。

現在用鍺的一般是看中鍺的高遷移率來提高頻率,或是用鍺硅製備異質節,而不是因為閾值電壓。

要說閾值電壓的話。硅器件還有負閾值的耗盡型CMOS呢。調閾值不就一個摻雜的事情嘛。

1947年,貝爾實驗室研製出了世界上第一隻點接觸三極管,採用就是Ge材料,這奠定了微電子工業的基礎。直到 20 世紀 50 年代末、 60 年代初以前的十幾年間,鍺都是雙極型晶體管的主要支 撐材料。但是Ge材料存在以下幾個問題:

1.鍺的地殼含量很少,據估計地殼中鍺的含量是 1.8 ppm(百萬分之一),而硅的含量是 277100 ppm,這導致了過高的製造成本;

2.硅工藝中的SiO2/Si體系非常穩定並且界面態密度低、缺陷和陷阱少。而Ge的氧化物非常不穩定,在400度以上還容易發生解析反應,所以器件製作難度大、器件穩定性差和大的柵漏電 流,所以單一的GeOx/Ge結構難成為鍺基 MOSFET 器件的理想柵介質和隔離層;

3.Ge的禁帶寬度只有0.66eV,相比於Si的1.12eV,這就導致Ge器件比較容易被擊穿,靜態功耗就大了;

4.現有水平製備出的Ge襯底,達不到Si的純度和低界面態密度

由於存在以上問題,60年代之後Si逐漸取代了Ge。當然,隨著工藝尺寸的不斷縮小,Si材料將達到其物理極限(電子和空穴遷移率過低是硬傷),Ge或者Ⅲ-Ⅴ族化合物半導體或許是作為溝道材料的一個很好選擇。

現階段U-Tokyo,Stanford,Purdue,MIT基本上代表了Ge或者Ⅲ-ⅤMOS器件研究領域最高水平,主要研究方向是降低界面態密度情況下減小EOT(等效氧化物厚度),新的高k介質還有與Si基集成等。國內也有一些高校在做,比如THU、PKU、FUDAN、NJU等。


分享到:


相關文章: