DE3390103C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein IC-Feld der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art.

Innerhalb der vergangenen 20 Jahre hat sich die Geschwindigkeit, mit der Rechner zu arbeiten vermögen, um mehrere Größenordnungen erhöht, während die Kosten der Rechner gleichermaßen dramatisch abgenommen haben. All dies wurde ermöglicht durch die Erfindung von Halbleiterbauelementen und die Entwicklung von integrierten Schaltungen. Mit Hilfe dieser Technologie können viele tausend Schaltungselemente auf einem Halbleitermaterial-Chip ausgebildet werden, von dem jede Seite nur einen Bruchteil eines Zolls mißt. Typischerweise werden hunderte derartiger Schaltungen Seite an Seite gleichzeitig auf einem gemeinsamen Wafer hergestellt. Die Ausbeute eines solchen Prozesses zeigt jedoch abnehmende Tendenz, wenn die Packungsdichte und die Größe jedes Chips erhöht werden. Weiterhin wird die Wärmeableitung zu einem Problem, wenn die Packungsdichte erhöht wird. Schließlich wird bei stark zu­ nehmender Anzahl von Elementen ein immer größer werdender Bereich der Chip-Oberfläche von Verbindungsleitungen eingenommen. Bei heutigen ICs kann auf diese Weise ein Anteil von ca. 30 bis 90 Prozent des Chips belegt sein. Weiterhin werden mit zunehmender Chipgröße die anwachsenden Leiterlängen zu einem limitierenden Faktor, der die Geschwindigkeit, mit der das Bauelement zu arbeiten vermag, festlegt.

Ein IC-Feld der eingangs genannten Art ist aus der US-PS 41 36 928 bekannt. Bei diesem bekannten IC-Feld handelt es sich um einen optischen Schaltkreis auf der Grundlage eines Lasers, wobei der eine der beiden IC-Chips des IC-Feldes als Strahlungsquelle in Gestalt eines Halbleiterlasers und der andere IC-Chip als Strahlungsdetektor zum Empfangen des Laserlichts ausgebildet ist, und wobei die Übertragung des Laserlichts vom Laser zu dem Strahlungsdetektor mittels eines dielektrischen Wellenleiters erfolgt, auf welchem die beiden IC-Chips aufgebracht sind. Zur Anwendung innerhalb von Rechnern ist dieses als optischer Schaltkreis ausgelegte IC-Feld aufgrund des Platz­ bedarfs weniger geeignet.

Aus der US-PS 37 48 548 sind übereinandergestapelte IC-Chips, die untereinander elektrisch verbunden sind, bekannt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein IC-Feld der in Rede stehenden Art zu schaffen, das sich als dichtgepackte An­ ordnung von Chips für Rechner eignet.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Dabei ist vorgesehen, eine Mehrzahl von IC-Chips des IC-Feldes übereinandergestapelt anzuordnen, wobei die Über­ tragung von Signalen zwischen den Chips auf optischem Wege be­ wirkt wird. Damit gestattet die Erfindung die Verwendung des IC-Feldes zum Einsatz bei Rechnern, bei denen es auf eine dichtgepackte Chipanordnung ankommt. Durch die Übereinanderstapelung von Chips innerhalb des IC-Feldes wird die insgesamt in einem Rechner benötigte Chipfläche drastisch reduziert. Ebenso drastisch reduziert wird die benötigte Länge an Verbindungsleitungen, wodurch eine höhere Arbeitsgeschwindigkeit für einen Rechner reali­ siert werden kann. Durch die große Anzahl relativ kleiner IC′s die in einem einzigen Stapel angeordnet sind und deren optischen Kopplung, kann nicht nur die Arbeitsgeschwindigkeit des Rechners erhöht werden, vielmehr ist auch die Ausbeute bei Wafern, die für die Herstellung des IC-Feldes benötigt werden, wesentlich größer als im Falle nicht übereinandergestapelt angeordneter Chips. Schließlich besteht ein Vorteil des optisch gekoppelten Chipfeldes in einer Herabsetzung der notwendigen externen Verbindungen, wodurch letztendlich auch die heute üblichen IC-Fassungen bezüglich ihrer Abmessungen weiter miniaturisiert werden können.

Nachfolgend soll die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert werden; in dieser zeigen:

Fig. 1 eine auseinandergezogene Darstellung eines Beispiels eines erfindungsgemäßen optisch gekoppelten IC-Feldes,

Fig. 2 einen Schnitt durch das IC-Feld nach Fig. 1,

Fig. 3 bis 5 zeigen beispielhafte Ausführungsbeispiele von LEDs und Photodetektoren zur Verwendung in IC-Feldern und

Fig. 6 die Verwendung von Fokussiermitteln in einer Wärmesenke-Übertragungsöffnung.

In den Zeichnungen zeigt Fig. 1 eine auseinandergezogene Dar­ stellung eines dreidimensionalen Feldes 10 von n IC-Chips 11-1, 11-2...11-n. Die Chips werden vorteilhafterweise zwischen Wärmesenken 12-1, 12-2 . . .12-(n+1) angeordnet, wobei ihre breiten ebenen Flächen parallel zu und in Berührung mit den ebenen Flächen der benachbarten Wärmesenken liegen.

Jeder der Chips ist mit den notwendigen elektrischen Verbindern 13 und 14, ausgestattet, um den Schaltungen elektrische Energie zuzuführen, und, wo es erforderlich ist, Informations­ signale in das IC-Feld und aus dem Feld heraus zu koppeln. Signale können außerdem optisch in das Feld hinein und aus dem Feld heraus mit Hilfe von optischen Fasern 16 und 17 gekoppelt werden. Außerdem werden optische Mittel dazu verwendet, Signale zwischen den einzelnen integrierten Schaltungen des IC-Feldes zu übertragen. Dies ist im einzelnen in Fig. 2 dargestellt, die eine Schnittansicht durch das IC-Feld von Fig. 1 zeigt. Verwendet man die gleichen Bezugszahlen wie in Fig. 1 zum Kennzeichnen entsprechender Bauelemente, so zeigt Fig. 2 eine Faser 16, die sich durch eine Öffnung 20 in der Wärmesenke 12-1 hindurch erstreckt, und einen Photodetektor 21, der in dem Chip 11-1 ausgebildet ist, um von der Faser 16 emittierte Strahlungsenergie zu empfangen. Außerdem sind in den Chips 11-1 und 11-2 LEDs 22 und 25 sowie zugehörige Photo­ detektoren 19, 24 und 27 ausgebildet. Strahlungsenergie wird dabei nach oben zwischen der LED 22 und dem Detektor 24 über eine Öffnung 23 in der Wärmesenke 12-2 übertragen. In ähnlicher Weise wird Strahlungsenergie zwischen der LED 25 und dem Detektor 27 über eine Öffnung 26 in der Wärmesenke 12-2 übertragen. Weiterhin wird Strahlungsenergie von der Quelle 22 diesmal nach unten auf einen Detektor 19 auf den Chip 11-n durch Öffnungen 28 und 29 in den dazwischenliegenden Chips und Wärmesenken übertragen. Mit diesen Mitteln können Signale in einfacher und schneller Weise zwischen den Chips übertragen werden, ohne daß leitende Verbindungsleitungen erforderlich sind, die sonst in diesem Fall von ihrem Ursprung in der ersten integrierten Schaltung zu dem Umfang des ersten Chips und dann zu der Empfangsstelle in der zweiten integrierten Schaltung laufen müßten. Zusätzlich dazu, daß auf den Chips Fläche verbraucht würde, würden die Längen der zum Herstellen dieser Verbindungen vorgesehenen Leiter dazu beitragen, der Arbeitsgeschwindigkeit der sich ergebenden Schaltung eine obere Grenze zu setzen.

Die IC-Chips 11-1 bis 11-n ähneln den heutzutage üblichen IC-Chips mit der Ausnahme, daß sie vorteilhafterweise aus solchen Halbleitermaterialien (z. B. GaAs, InP und InGaAsP) hergestellt sind, bei denen an verschiedenen Stellen auf den Chips bei deren Herstellung kleine LEDs und Photodetektoren niedriger Leistung realisiert werden können.

Fig. 3 bis 5 zeigen im einzelnen beispielhafte LED- und Photodetektorstrukturen zur Verwendung in dem vorstehend beschriebenen IC- Feld. Bei der Ausführungsform nach Fig. 3 bildet eine Epitaxialschicht 30 aus einem Material eines ersten Leitungstyps, die auf einer Mesastruktur eines Substratmaterials 31 entgegengesetzten Leistungstyps aufgebracht ist, eine Photodiode. Zum Zwecke der Veranschaulichung das Substrat als n-leitendes und die Epitaxialschicht als p-leitendes Material gekennzeichnet. Die Oberseite ist mit einer Isolierschicht 33 überzogen, in der oberhalb der Schicht 30 eine Öffnung gebildet ist. Ein Ohmscher Kontakt für die Photo­ diode läßt sich dadurch herstellen, daß oberhalb der Schicht 30 eine erste metallische (z. B. aus Gold bestehende) Schicht 35 und auf der Bodenseite des Substrats 31 eine zweite metallische Schicht 34 aufgebracht wird. Durch eine in der Schicht 34 ge­ bildete Öffnung wird dann Strahlungsenergie in die Diode hinein und aus der Diode heraus gekoppelt.

Bei Verwendung als Signalsender wird in den oberen Kontakt 35 ein Treiberstrom eingespeist und über die Öffnung 36 in dem unteren Kontakt 34 wird Strahlungsenergie abgezogen, wie in Fig. 3 gezeigt ist. Bei Verwendung als Photodetektor wird umgekehrt durch die Öffnung in dem Kontakt 34 Strahlungsenergie auf die Diode gerichtet, und am Kontakt 35 tritt der resultierende Ausgangs­ strom auf.

Um die von der Photodiode gelieferte Strahlungsenergie zu fokussieren und somit eine unerwünschte Kreuzkopplung zu anderen Photodetektoren auszuschließen, erstreckt sich der Kontakt 35 vorteilhafterweise an der Seite des Mesa 32 nach unten.

Die Ausführungsform nach Fig. 4 ist praktisch ähnliche wie die in Fig. 3 gezeigte, sie enthält eine Schicht 40 eines n-leitenden Halbleitermaterials, das auf einer Mesastuktur des darunterliegenden Substrats 41 aus p-leitendem Material aufgebracht ist, um eine Photodiode zu bilden. Ein Ohmscher Kontakt mit der Diode wird mit Hilfe eines ersten metallischen Verbinders 44 über eine in einer Isolierschicht 46 befindliche Öffnung 45 und einen zweiten metallischen Verbinder 47, der in Berührung steht mit der Unterseite des Substrats 41, gebildet. Bei dieser Ausführungs­ form wird Strahlungsenergie in die Photodiode hinein und aus der Photodiode heraus über eine in dem oberen metallischen Ver­ binder 44 befindliche Öffnung 45 übertragen.

Fig. 5 zeigt einen planaren Diodenaufbau zur Verwendung in Ver­ bindung mit dem vorstehend beschriebenen IC-Feld, wobei die Photodiode dadurch gebildet ist, daß in das Chip-Substrat 50 ein geeigneter Dotierstoff eindiffundiert ist, um eine Zone entgegengesetzten Leitungstyps zu bilden beispielsweise eine p-leitende Zone 51 in einem n-leitenden Substrat. Ein metallischer Verbinder 52 macht Ohmschen Kontakt mit der Zone 51 über eine in einer Isolierschicht 53 gebildete Öffnung 58. Ein zweiter metallischer Verbinder 55 stellt Ohmschen Kontakt mit der Unterseite des Substrats her.

Bei dieser Ausführungsform kann Strahlungsenergie durch die Isolierschicht 53 und/oder durch eine Öffnung 56 in dem zweiten metallischen Verbinder 55 in die Diode hinein oder aus der Diode heraus übertragen werden. Auf diese Weise kann eine gleichzeitige optische Kopplung zwischen einem Chip und zwei anderen, gegenüberliegend angeordneten Chips in dem Feld oder zwischen einem Chip und einer Faser oder irgendeiner anderen Kombination dieser Teile erfolgen.

Wie in den Fig. 1 und 2 gezeigt ist, können zwischen den Chips Wärmesenken vorgesehen sein. Falls erforderlich, können die Wärmesenken dick genug gemacht werden, damit sie Leitungen für eine Kühlflüssigkeit aufzunehmen vermögen. Ferner kann in der Kopplungsöffnung eine Linse vorgesehen sein, um den optischen Kopplungswirkungsgrad zu erhöhen, wie in Fig. 6 gezeigt ist, in der eine Linse 60 in einer Kopplungsöffnung 61 einer entsprechenden Schicht 62 dargestellt ist. Letztere kann sich entweder in einem Chip oder in einer Wärmesenke, durch das bzw. durch die Energie übertragen wird, befinden.

Claims (5)

1. IC-Feld mit mindestens zwei IC-Chips, die jeweils ein Paar breiter ebener Flächen aufweisen, die im wesentlichen parallel zueinander verlaufen, sowie mindestens einer an einem Chip ange­ ordneten Strahlungsquelle und mindestens einem am anderen Chip angeordneten Strahlungsdetektor zum Empfangen von von der Strah­ lungsquelle emittierter Strahlungsenergie, dadurch gekennzeichnet, daß die IC-Chips (11-1, . . ., 11-n) übereinandergestapelt sind und der Strahlungsdetektor (19, 24, 27) im Strahlengang der Strahlungsquelle (22, 25) so angeordnet ist, daß eine optische Kopplung der IC-Chips (11-1, . . . 11-n) erfolgt.

2. IC-Feld nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen benachbarten Paaren von Chips (11-1, . . ., 11-n) eine Wärmesenke (12-1, . . ., 12-n+1) angeordnet ist.

3. IC-Feld nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (23 61), welche Strahlungsenergie durch die Wärmesenke (12-1, . . ., 12-n) überträgt.

4. IC-Feld nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragungseinrichtung eine Öffnung ist.

5. IC-Feld nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb der Öffnung eine Fokussiereinrichtung (60) angeordnet ist.