为什么 CPU 只用硅做，而不用能耗更低的锗做？
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为什么 CPU 只用硅做，而不用能耗更低的锗做？
【acalephs的回答(219票)】:
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cvf^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增强型CMOS呢。。。调阈值不就一个掺杂的事情嘛。。。
【mervynzeng的回答(49票)】:
终于看到了研究相关的问题，怒答！
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。
【知乎用户的回答(12票)】:
“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。”
显然你不了解锗管的特性。很多推理判定都是错误的~！你用过锗二极管，锗三极管吗？
低频的锗三极管，尤其是大功率的，漏电电流大，发热量不小，效率低。
高频小功率的管子，尤其是NPN型的，锗管制造难度大，多数用硅管来完成。往往硅管在频率上，热稳定性上，噪音，尤其是漏电电流上，远远超于锗管。。这是最直接的问题。如果你的电子技术实践功底足够，理解这些不成问题。
【提利昂之怒的回答(2票)】:
提供我觉得对的部分原因吧：
1，硅储量丰富，价格低，易提纯，性能稳定
2，硅晶圆可以很大个，8寸，12寸，未来的18寸，晶圆厂都可以拉出来，锗晶体你搞个试试
3，开启电压低是优势也是劣势，对工艺提出很高要求，如果工艺满足不了，那么低压情况下的高漏电将会造成很大的麻烦
4，生产惯性，成熟的配套设备、工艺条件、产业链都是架构在硅上的，重新换锗，成本太高不是，而且短期还看不到利益
5，觉得对的请点赞，哈哈
【UserSuper的回答(0票)】:
好的PN結正向特性是有代價的，也就是差的反向特性。換句話說，功耗未必能降低。
尺寸給定的情況下，提高頻率的主要方法還是增大電流。相較而言，减小尺寸更為可行，不僅可以提高頻率，還可以提高集成度。
綜合比較，鍺不一定比硅的優勢明顯。
【郭雄飞的回答(0票)】:
硅是上帝赐予人类的礼物，在各个方面堪称完美，不论是取材、制造、大规模生产以及各种耐折腾，物理和化学特性在地球上常温下也正好能非常好的工作。
目测下一件上帝赐予人类的完美材料还没有到达地球。
【胡镇涛的回答(2票)】:
前苏联做过锗的CPU
那都是很早时候的事情了
应该是硅和锗天生的性质差异造成的
单纯想电压这事，就是把问题想简单了
热稳定性啊，半导体线性啊，生产制造工艺要求啊等等，要考虑的事情太多了，要不然也不会到现在，全世界也就两家民用电脑CPU制造商，其中一家还在吃救济过日子。
现在量子光子DNA CPU，算是新兴科技。
烧钱看看能有没有啥产出吧
据说现在是产出点东西了的。
【张磊的回答(1票)】:
锗的能带导致无法在温度高于75度的时候正常工作。
【黄亮的回答(0票)】:
锗的性质合适做，但是锗没有富矿存在，在金属中不属于稀有金属但是属于稀散金属，一般一吨煤中有十克锗，所以因为开采收集的原因没有作为Cpu的主要材料
【大猩猩的回答(0票)】:
1. SiO2+2C==Si+2CO
2. Si+2Cl2==SiCl4
3. SiCl4+2H2==Si+4HCl
第一步 是粗硅 含有未反应完全的杂质碳第二步 转化为SiCl4 沸点较低 50多度 容易转化为气体 从而起到和杂质碳分离的目的,第三步 用还原剂把硅从化合态还原为纯净单质硅
好吧 我答不下去了
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CPU为何只用硅做，而不用能耗更低的锗？
来源：互联网 作者：日 14:59
[导读] 硅用来做CPU，是因为它的优点太多，而缺点都是可克服的。锗虽然也有优点（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。
　　硅用来做CPU，是因为它的优点太多，而缺点都是可克服的。锗虽然也有优点（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。
　　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，也比脑动大开的 量子CPU， 光子CPU， DNA CPU靠谱吧？
　　硅用来做CPU，是因为它的优点太多，而缺点都是可克服的。锗虽然也有优点（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。
　　我们组是目前世界上唯一一个用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。
　　1948年，世界上第一个点接触晶体管是用锗做哒~就是这个样子
　　世界上第一个晶体管 （1948）
　　在遥远的上古时代（1950~），那时候集成电路还没有发明，晶体管的分立器件就已经慢慢由锗变成了硅。这是为什么呢？ 世界上第一个和第一个商用的双极结型晶体管都是用锗做的。摩托罗拉公司当时还是一家车载收音机的制造商。摩托罗拉是当时第一家使用晶体管来制造收音机的厂商。但是好景不长，摩托罗拉收到了大量用户投诉，说他们发现摩托罗拉的车载收音机在午后的阳光下曝晒一个下午后，就不再工作了。摩托罗拉被搞得焦头烂额，这从市场层面给了摩托罗拉公司很强的动力用硅替换锗来制造晶体管。
　　为啥会这样呢？因为锗在受热之后会变成本征态，这使得n型半导体和p型半导体都失去了他们特有的性质，那结果呢就是双极结型晶体管不能再工作了。而硅可以经受更高温度的考验。
　　硅取代锗其实是历史的必然，让我们来看看硅棒棒的性质吧：
　　有着和钻石一样棒的晶体结构，这赋予了硅极好的稳定性和强度
　　超棒的队友二氧化硅（SiO2），用简单的炉式氧化法就可以得到非常高质量的二氧化硅，而且界面态很少（~）。啥是炉式氧化法呢？大概就和烤面包差不多，类似你把硅片放到一个充满氧气的烤箱里去烤一下。其实很多半导体工艺都能找到生活中的类比物，太阳能电池的制造就和咱们烙煎饼果子差不多，我会乱说？
　　硅的带隙更大，具有更好的热稳定性
　　硅材料便宜啊，硅都是沙子提炼出来的，想想地球上有多少沙子可以用吧！
　　还有一点非常重要！锗CPU 75度以上就不能工作了，那还让我们怎么用小米手机煎鸡蛋呢，对吧？
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摘要: 一谈起半导体材料，99.9%的人都会联想到硅。这有什么可争议的呢，连我们的时代都被历史学家命名为“硅时代”了。但其实半导体材料行业的开山鼻祖可是锗。那么，为什么不是锗时代而是硅时代？这其中有很多故事。是锗
一谈起半导体材料，99.9%的人都会联想到硅。这有什么可争议的呢，连我们的时代都被历史学家命名为“硅时代”了。但其实半导体材料行业的开山鼻祖可是锗。那么，为什么不是锗时代而是硅时代？这其中有很多故事。是锗贵硅便宜？锗确实不便宜！锗的地壳含量虽然不高，但是比起金、银还是要丰富得多的。不过，它有一个不小的麻烦——太分散。它被分作分散元素一类，缺少独立矿石，只伴生于其他金属矿石中。目前发现的含量最高的是锗石，含10%的锗（而富铁矿，含铁在70%以上）。换句话说，到处都有锗，就是到处都很少。所以，锗金属的价格经常几千上万块一公斤，比银还要贵上一倍多。而硅的原料是石英砂，甚至是沙子，还有比它更廉价的原料吗？不过话说回来，要比价格不能这么比。石英砂是原料不假，但做成硅晶圆的成本也不低，工艺非常复杂。所以，两者的成本差距并没有沙子和黄金之间那么大。如果前面的问题还有待争议，下面所要说的锗的短板，就是避无可避的了。20世纪50年代，半导体行业的开荒年代，摩托罗拉生产了一批锗晶体管车载收音机。结果，产品遭到了大量用户投诉。因为收音机只要在烈日下暴晒就“罢工”了。为什么会这样呢？因为温度升高到75度以上时，所有浅掺杂的锗这时候就成了导体。75度是个什么概念？大家电脑里如果装了实时查看CPU温度的软件，超过80、90度的情况可不是特例。锗这个先天性的缺陷，要说在一起，可不是件容易的事。而硅在200度以下都可以正常工作，这一点比锗强太多了。两者的队友表现也非常悬殊。锗的氧化物不稳定，在400度以上容易发生解析反应，致密度差，微溶于水，所以GeOx/Ge很难成为锗基 MOSFET 器件的理想栅介质和隔离层。相比之下，SiO2与Si的合作可谓亲密无间。Si02/Si体系非常稳定，界面态密度低、缺陷少、陷阱少。还有就是锗比硅重，又比硅软，更加易碎等。Si的结构稳定，与金刚石的点阵结构一样。锗的禁带宽度（0.66ev）比硅（1.12ev）窄，所以较容易击穿。相比之下，硅的综合性能太好，不上位没天理。硅不是没有缺点，但都能克服。这说明什么？要想人见人爱，就得综合素质高!硅是如此，钢也是如此。但是，虽然锗的风头被硅抢过去了，但还是有自己的位置。目前锗在光电学方面应用较多，前景也挺好，比如太阳能电池、红外LED、光传感器、锗激光器等等。非常戏剧性的是，曾经的竞争对手眨眼又成了“好基友”。现在最新的研究就是将锗做成的光学器件与硅做的电子器件整合在一张硅片上，并且发现在硅上长出来的锗膜很好，锗膜还可以用来作衬底生长其他的半导体材料。IBM最新的研究是制备了掺锗硅的7nm芯片，据说性能是目前芯片的4倍。这种硅锗材料有望让晶体管的通 / 断速度更快，功耗更低。有行业人士甚至断言，现在到了是继续搞“硅”还是搞”锗硅“站队的时候了。真是三十年河西三十年河东。本文由材料人唐英超提供，材料人网编辑整理。&&
刚表态过的朋友 ()
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IBM推出7nm工艺新型锗硅芯片，锗硅的优势在哪里？，很多东西已经忘的差不多了，如果答案有问题的话，欢迎指正。其实应用锗（Ge）作为替代硅作为集成电路的半导体材料早就不是新鲜事儿了，其理论基础为锗的载流子迁移率要高于硅（Si）的，这件事情可以理解为理论上应用Ge能够制造时钟频率更高，即更快的集成电路。但是一直以来问题都出在工艺上，举两个简单的例子，一是Ge的熔点为900度左右，部分高温工艺是没法做的；二是在集成电路工艺中需要反复的用到制备绝缘层这一工艺，Si的氧化物SiO2是绝佳的绝缘体，而且直接在Si表面进行热氧化就可以制备出来，工艺极其简单，至于Ge的。。。。好像挺麻烦的。。。。至于其它的外延生长啊金属积淀啊什么的好像锗的工艺都很复杂。因此想要利用上Ge的优势也是微电子领域的一大课题（嗯，就是非硅基半导体电路制备工艺，Ge只是其中的一个分支），其中有一种就是在硅基上外延生长出Ge的方式。估计IBM使用的锗硅材料就是类似于这种东西。题外话，最近IBM在微电子上的黑科技着实不少。。。。前几天刚看到发布了石墨烯的集成电路，今天又搞个7nm的锗硅材料工艺，这你妹是分分钟干掉intel的节奏啊。谢 @袁霖
邀我是做through silicon via（TSV）方面的，对基体材料了解不深，抛砖引玉的说说查到的资料吧。首先回答为什么IBM要用锗硅材料。那是因为IBM是锗硅材料的行业领头人，他们对这个材料的性能，工艺等是最了解也是研发能力最强的。既然是要制造打破现在尺寸极限的新型芯片，当然是要用自己拿手的材料。这个材料并不是新发现的，但是IBM多年技术积累把这个芯片做出来了，这是很了不起的。IBM - 硅锗芯片其次回答这个材料的优势。锗是比硅贵的，所以它的优势应该是在硅芯片力所不能及的领域，才使人们愿意花大价钱去制造。下面详细说。锗硅集成电路芯片生产线项目可行性研究报告除了性能的优点，如另外的答主回答的，锗硅材料制造工艺和硅材料制造工艺是比较兼容的，实用性很高。芯片制造中，设备成本是很高的（随手搜到三星最新的芯片厂造价144亿美元三星新芯片厂2017年投产 造价144亿美元），工艺融洽的材料更受青睐。另外，搜这个新闻的时候，看到英特尔表示自己的7nm芯片也在研发中，而且不用IBM采用的极紫外线光刻（EUV），拭目以待。展示了 7nm 芯片的 IBM，真的领先英特尔了吗？@高扬宇 和匿名用户说得很好，我再补充一点，锗硅完全不是新东西，很多厂商在40nm工艺里就用这个做了沟道材料由于硅基mosfet沟道越来越短，二级效应就变得很严重，眼看摩尔定律就要到头。一是改变器件结构，二是寻找新材料，能让摩尔定律接着走下去。锗相对硅电子迁移率更高，理论上性能可以做的更好。这种东西做出来没什么新奇的，关键看能不能量产，以及兼容现有的硅工艺。我提供一个新的角度吧。IBM做Ge好久了，它家的一些工艺是偏向模电的，有成熟的Ge heterojunction transistor，必然积累了很多Ge的经验。其他的几家大的代工厂(以及intel)专攻数字电路，纯CMOS。在Ge上的经验不多，所以在开发新工艺时不会首选Ge吧其实最早的晶体管是用Ge的，但是后来由于Si有SiO2这个热氧化就能形成的氧化物（Si和SiO2的界面缺陷要比淀积的小很多），而且Si的生长要比Ge便宜，所以即使Ge电子和空穴体迁移率都在Si的二倍左右，但是当做成MOSFET的时候，实际迁移率会下降，而且成本比Si高，所以就没有然后了。后来Si基CMOS发展迅速。。。。但是SiGe基HBT也在RF领域迅速发展，IBM和Jazz Tower两家把SiGe HBT的ft fmax一再提升，现在应该到THz级别了（好久没看SiGe HBT的paper了，具体到多高也不太清楚了）。SiGe相对Si来说有个好处就是迁移率高，特别是strained SiGe 迁移率更高，而相对于Ge，只要SiGe中Ge不超过一定比例（依SiGe层厚度而言），可以在Si上长出缺陷很少的SiGe层。这个时候可能就有人要问了，那氧化层怎么办呢？其实在九十年代末（大概那个时间吧），ALD技术迅速发展，ALD淀积的high-K介质已经可以达到10^12~10^11量级的界面缺陷，所以现在的Si CMOS都是ALD淀积的gate dielectric。我估计IBM的7nm transistor也是ALD淀积gate dielectric。敲这些字的时候身后的LCR meter 正测这SiGe的电容。。。。。。这个，不太清楚。因为我做的是前端工作，即使设计阶段需要考虑时序等问题，我们也只是需要知道 一些延迟、负载、亚阈漏流特性，至于具体 工艺环节 不清楚。。对基础材料不熟悉。曾经听说锗材料在低功耗、集成度方面更有优势，但材料与工艺成本居高不下。另外，联想IBM在先进IC架构设计方面有突破，比如神经元芯片，但目前硅基工艺似乎将要走到尽头。7nm的锗制程对此类芯片可能意味着实现初步商业化。，然而无法做出比楼上大神们更专业的回答...现在的方向是数字集成电路。我是做设计的，对工艺和材料了解不深。SiGe的很多特性和标准的CMOS很类似，但是总体性能要好很多。现在14nm以下应该都还在实验室探索阶段，所以用SiGe探路很正常。更具体的东西可能要问一些做器件的。好吧，已经转行了，对行业的新进展不便评论。晶体管尺寸进一步减小无非两种方式：新的材料和新的制造技术随着晶体管的尺寸逐渐变小，经典的物理学定律也逐渐开始不再适用。在现有制备工艺下，14nm/10nm工艺接近成为硅晶体管尺寸的极限。之前也有答主提到，锗硅材料和硅材料制造工艺是比较兼容，而一条工艺生产线是极其昂贵（144亿刀，去年国家投入的1200亿软妹币芯片产业扶持基金也就是一条生产线的费用）。所以开发新材料看起来是比较好的选择。锗材料2-3倍于硅材料的迁移率意味着可以制造成更小而且更快的晶体管，即开关速度更快，集成程度更高。至于为什么一开始不用锗材料，传送门为什么 CPU 只用硅做，而不用能耗更低的锗做？ - 硬件，我从事IC设计。从设计师的角度看这个问题其实非常直接明朗；为了提升芯片性能以及降低功耗，数字器件制式不断缩小，相其VDD也不断降低；此时数字电路漏极电流会出现速度饱和的情况。当速度饱和发生后，漏极电流大小与沟道材料迁移率成正比；由于锗硅材料迁移率更高，其漏极电流相对更大，因此新器件沟道采用锗硅材料。。我主要负责芯片工艺这块，对于材料那块不是特别了解。再说个搞笑的，我学校实验室2um是极限了，光刻机还是SUSS MJB3。
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