为什么 CPU 只用硅做,而不用能耗更低的锗做

为什么 CPU 只用硅做,而不用能耗更低的锗做

为什么 CPU 只用硅做,而不用能耗更低的锗做

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,湿法干法都有变态的选择比。

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。

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。


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