为什么CPU只用硅做，却不用能耗更低的锗来做？

CPU作为计算机系统的运算和控制核心，是信息处理、程序运行的最终执行单元。CPU 自产生以来，在逻辑结构、运行效率以及功能外延上取得了巨大发展。

CPU有强大的算术运算单 元，可以在很少的时钟周期内完成算术计算。同时，有很大的缓存可以保存很多数据在里面。此外，还有复杂的逻辑控制单元，当程序有多个分支的时候， 通过提供分支预测的能力来降低延时。GPU是基于大的吞吐量设计，有很多的逻辑电路。

而逻辑电路对于高速元件的迫切需求，使得半导体制造工业不断以微缩、增加密度以及时钟速度的方式来取得更好的性能表现，但是在摩尔定律遭遇困境的当下，这种作法留给半导体技术的空间似乎已经不多。

这是因为芯片微缩、增加密度以及时钟速度，会导致一个关键问题，那就是功耗，加上先进工艺之下，闸极的缩小会导致芯片内部的漏电流越来越难以抑制，漏电流则是会产生一个最大的问题，那就是发热。

也因此，目前整个产业都在处心积虑的找出能够替代目前主流硅材料的新一代半导体材料，但这并不是那么简单的事情，一来你要考虑到与现有工艺的兼容性，二来要能在技术上实现可控成本下的量产，最后，材料本身又不能太难取得。

也因为这三种原因的限制，目前硅还是难以被取代，毕竟硅是地球上最容易取得的材料，易于提炼，且又具备能和其他材料配合调制改变其电气特性的特征，使其应用极为广泛，硅可以用来算，可以用来发光，也可以用来”看”，目前来看，还真的没有一种材料能够取代硅的地位。

至于锗材料，其实在目前的半导体业界是个很普遍应用的材料，世界上最早的晶体管就是使用锗材料制作的。

除了在在半导体领域，其在航空航天测控、核物理探测、光纤通讯、红外光学、太阳能电池、化学催化剂、生物医学等领域都有广泛而重要的应用。

虽然理论上锗拥有很多优秀的特性，比如说电子迁移率是硅的两倍，电洞迁移率更超越被誉为最有机会取代硅的明日之星材料，也就是像砷化镓(GaAs)、氮化镓(GaN)、磷化铟(InP)、锑化铟(InSb)等常见三五族半导体材料，且因为和硅之间的晶格差异(Lattice mismatch)相对更小，能够被整合在现有的硅工艺，因此与三五族同样被视为未来半导体材料的明日之星。

但是要使用纯锗来做CPU？这个可以很明白的说了，真要做不是不可能，但做出来基本上就是又贵又慢的产品，完全不实用。锗虽然在电气特性上有其优点，但缺点也同样不小，比如说因为难以取得，所以成本极高，材质的物理特性非常软脆这点同样远不如硅，使其加工非常困难，而做为”半导体”，锗的氧化物和硅的氧化物在绝缘稳定性上也有很大的不同。

如果要善用锗的特性，就必须以参杂的技术，结合其他材料的优势来弥补其缺点，比如说在基于硅的基板上去生长锗的薄膜，结合二者的优点，可以大幅强化目前半导体架构的计算能力。

以半导体的发展历程来看，锗算是最早的第一代半导体材料，目前虽然活跃在许多领域，但基本上已经离计算应用有段距离，若用来制造计算核心，其实还有许多困难需要突破。

因为其在电气特性上的优势，锗有机会和最新的三五族材料共同在半导体技术发展的道路上发光发热，其应用发展空间还很广，以单一应用面向来评论这个材料其实并不公平。

GaN作为第三代半导体材料，因其优良的特性，日益成为研究的热点，在微电子和光电子领域具有十分广阔的应用优势和发展前景。 本论文采用电子回旋共振(ECR)微波等离子体辅助金属有机物化学气相沉积(PAMOCVD)方法，以氮等离子体为氮源，研究了大晶格失配(14％)异质结GaN/Al_2O_3(0001)的低温(700℃)外延生长。为了释放因晶格失配产生的应力，以降低在GaN外延膜中引起的缺陷密度，我们对蓝宝石衬底采用了氢等离子体清洗、氮等离子体氮化以及低温生长缓冲层的方法。我们用X射线衍射(XRD)来表征晶体的结构，用原子力显微镜(AMF)来表征表面形貌。通过高能电子衍射仪(RHEED)、对实验结果进行分析比较，对GaN薄膜的清洗、氮化、缓冲层和外延生长实验参数进行了优化。XRD和AFM的结果表明，我们在蓝宝石衬底上获得了晶质良好的GaN薄膜。实验中采用了氢氮混合等离子体清洗的方法，提高了清洗的质量。文中讨论了氮化层的原子排列点阵相对于蓝宝石衬底(0001)面旋转了30°的机理；解释了在六方相的缓冲层上在较低温度下外延生长GaN的过程中出现立方相GaN的现象。另外，在分析实验流程的特点的基础上，对ES...

GaN, one of the third generation semiconductor materials, becomes the hot point of research because of its excellent characteristics. It has wide potential application and development in the fields of microelectronics and optoelectronics. This dissertation presents the investigation on the epitaxy growth with large lattice mismatch (14%) heterostructures GaN/Al2O3(0001), by an electron cyclotron resonance (ECR) plasma assisted metalorganic chemical vapor deposition (PAMOCVD) with a nitrogen plasma as a ni...

【DOI】 CNKI:CDMD:2.2004.094289 可可 别忘了加分哦!!!

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