DE3390103T1 - Optisch gekoppeltes IC-Feld - Google Patents

Description

Beschreibung Optisch gekoppeltes IC-Feld

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf integrierte Schaltungen (ICs), insbesondere auf IC-Felder.

Zugrunde liegender Stand der Technik

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 v/urde 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 zunehmender Anzcihl von Elementen ein immer größer werdender Bereich

-Φ -3

der Chip-Oberfläche von Verbindungsleitungen eingenommen. Bei heutigen ICs kann auf diese Weise ein Anteil irgendwo von 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.

Offenbarung der Erfindung

Gemäß der vorliegenden Erfindung werden IC-Chips gestapelt, um ein dreidimensionales Feld zu bilden, in welchem die Kopplung zwischen den Chips auf optischem Wege bewirkt wird. Dies gestattet die Verwendung kleinerer, weniger dicht gepackter Chips, so daß sich entsprechend höhere Ausbeuten ergeben. Weiterhin trägt die Verwendung kleinerer, weniger dicht gepackter Chips dazu bei, die für Verbindungsleitungen benötigte Chipfläche zu reduzieren. Sie reduziert außerdem die Längen der Verbindungsleitung und ermöglicht dadurch höhere Arbeitsgeschwindigkeiten.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 zeigt eine auseinandergezogene Darstellung eines optisch gekoppelten Feldes von integrierten Schaltungen;

Fig. 2 zeigt einen Schnitt durch das Fold nach Fig. 1;

Fig, 3 bis 5 zeigen beispielhafte Ausführungsbeispiele von LEDs und Photodetektoren zur Verwendung in solchen Feldern; und

— Jt —

Fig. 6 zeigt die Verwendung von Fokussiermitteln in einer Kopplungsöffnung.

Detaillierte Beschreibung

In den Zeichnungen zeigt Fig. 1 eine auseinandergezogene Darstellung eines dreidimensionalen Feldes 10 von η IC-Chips 11-1, 11—2... 11-n gemäß der vorliegenden Erfindung. 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, wie z.B. 13 und 14, ausgestattet, um den Schaltungen elektrische Energie zuzuführen, und, v/o es erforderlich ist, Informationssignale in das 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 unter den integrierten Schaltungen des Feldes zu übertragen. Dies ist mehr im einzelnen in Fig. 2 dargestellt, die eine Schnittansicht durch das Feld 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 Photodetektoren 19, 24 und 27 ausgebildet. Strahlungsenergie wird zwischen dem 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 2 2 gemäß Zeichnung nach unten auf einen Detektor 19 auf den Chip 11-n durch Öffnungen wie 28 und 29 in den dazwischenliegenden Chips und Wärmesenken gerichtet. Mit diesen Mitteln können Signale in einfacher Weise zwischen den Chips übertragen werden, ohne daß leitende Verbindungsleitungen erforderlich sind, die im Stand der Technik_f von dem Ursprungsabschnitt der integrierten Schaltung zu dem Umfang des ersten Chips über eine externe Verbindung zu dem Umfang des zweiten Chips und dann zu der Empfangsstelle der zweiten integrierten Schaltung laufen müssen. Zusätzlich dazu, daß auf den Chips Fläche verbraucht wird, tragen die Längen der zum Herstellen dieser Verbindungen vorgesehenen Leiter dazu bei, der Arbeitsgeschwindigkeit der sich ergebenden Schaltung eine obere Grenze zu setzen.

Die IC-Chips 11-1 bis 11-n ähneln praktisch den heutzutage üblichen IC-Chips mit der Ausnahme, daß sie vortoilhafterweise aus Direktbandabstand -Halbleitermaterialien (d.h. GaAs,InP und InGaAsP) hergestellt sind, so daß an verschiedenen Stellen

-A -(ρ

auf den Chips kleine LEDs unä Photodetektoren niedriger Leistung enthalten sein können (siehe beispielsweise den Artikel von F. H. Eisen mit dem Titel "Materials and processes for GaAs integrated circuits", Inst. Phys. Conf. Ser. No. 63 Chapter 11, überreicht anläßtlich des Symp. GaAs and Related Compounds, Japan, 1981.)

Fig. 3 bis 5 zeigen mehr im einzelnen beispielhafte LED- und Photodetektorstrukturen zur Ausführung der vorliegenden Erfindung. Bei der Ausführungsforni nach Fig. 3 bildet eine Epitaxialschicht 30 aus einem Materiell eines ersten Leitungstyps, die auf einem Mesa eines Substratmaterials 31 entgegengesetzten Leitungstyps aufgebracht ist, eine Photodiode. Zum Zwecke der Anschauung ist das Substrat als η-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 Photodiode 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 gebildete Öffnung wird 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 durch die öffnung in dem Kontakt 34 Strahlungsenergie auf die Diode gerichtet, und am Kontakt 35 tritt der resultierende Ausgangsstrom 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 die gleiche wie die in Fig. 3 gezeigte, sie enthält eine Schicht 40 eines n-leitenden Halbleitermaterials, das auf ein Mesa des darunterliegenden Substrats 41 aus p-leitendein 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 und einen zweiten metallischen Verbinder 47, der in Berührung steht mit der Unterseite des Substrats 41, gebildet. Bei dieser Ausführungsform wird Strahlungsenergie in die Photodiode hinein und aus der Photodiode heraus über eine in dem oberen metallischen Verbinder 44 befindliche Öffnung 45 übertragen.

Fig. 5 zeigt einen planaren Diodenaufbau zur Verwendung in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung, wobei die Photodiode dadurch gebildet ist, daß in das Chip-Substrat 50 ein gceigneter Dotierstoff eindiffundiert ist, um eine Zone entgegengesetzten

-4t -

Leitungstyps zu bilden, beispielsweise eine p-leitende Zone in einem η-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 eingeordneten Chips in dem Feld oder zwischen einem Chip und einer Faser oder irgendeiner anderen Kombination dieser Teile erfolgen.

Es ist ein Vorteil der Erfindung, daß eine große Anzahl relativ kleiner ICs in einem einzigen Stapel derart angeordnet werden kann, daß die Geschwindigkeit nicht leidet. Da die Herstellungsausbeute bei kleinen Chips stets größer ist als die Ausbeute größerei- Chips, könnte ein größerer Prozentsatz von verarbeiteten Wafern in einem optisch gekoppelten Feld erfindungsgemäß verwendet werden, als es möglich wäre, wenn die gleiche Funktion in einem einzigen, größeren Chip verwirklicht würde. Weiterhin sind die Fassungen für heute übliche ICs typischerweise viel größer als das darin befindliche IC-Chip, und zwar aufgrund der

- Vb -

mechanischen Herausführung der vielen elektrischen Verbindungen. Ein optisch gekoppeltes Chipfeld dagegen besitzt weniger externe Verbindungen und kann so ausgebildet werden, daß nur externe Gleichspannungsverbindungen und ein optisches Faserband erforderlich sind. Hierdurch erhält man kleinere Fassungen.

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 Kühlfluide enthalten. 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 dargestellt ist, Letztere kann sich entweder in einem Chip oder in einer Wärmesenke, durch das bzw. durch die Energie übertragen wird, befinden. Die Verwendung von spärischen Glaslinsen würde das Erfordernis einer Orientierungsausrichtung während der Herstellung ausräumen.

Claims (6)

1. Patentansprüche

   IC-Feld, mit mindestens zwei IC-Chips, die jeweils ein Paar breiter ebener Flächen aufweisen, und die aufeinandergestapelt sind, wobei ihre breiten ebenen Flächen im wesentlichen parallel zueinander liegen, gekennzeichnet durch

   eine mindestens eine Strahlungsenergiequelle enthaltende Einrichtung (22), die an einem der Chips angeordnet ist und mindestens einen Strahlungsenergiedetektor (24), der an den anderen der Chips angeordnet ist, um von der Quelle emittierte Strahlungsenergie zu empfangen.
2. 2 . Feld nach Anspruch 1,

   gekennzeichnet durch

   eine Mehrzahl von η Chips, wobei η eine ganze Zahl größer als zwei ist, und eine Mehrzahl von Strahlungsenergiequellen sowie Strahlungsenergiedetektoren, die unter den Chips verteilt sind, wobei jede Quelle derart ausgebildet ist, daß sie Strahlungsenergie zu mindestens einem der Detektoren überträgt.

   Kndctl.-.sUnfli' « (Otrti Mmuhori Λ0 liMofon (Π'-.V) P.ü3603/f.»36Ck. TcIi χ 5217313 Ti'lcorin.riH· Prttr.Tllconsult

   Tck'fax (CCIl [ ?! Wk '.tvidiT·, und München (059) 8 M 461K Attcnlion Palontconsult

   A4
3. 3. Feld nach Anspruch 1,

   dadurch gekennzeichnet , daß zwischen benachbarten Paaren von Chips eine Wärmesenke angeordnet ist.
4. 4. Feld nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (23), die Strahlungsenergie durch die Wärmesenke überträgt,
5. 5. Feld nach Anspruch 4,

   dadurch gekennzeichnet , daß die Einrichtung eine Öffnung ist.
6. 6. Feld nach Anspruch 4,

   dadurch gekennzeichnet , daß die Einrichtung eine Öffnung (61) und eine innerhalb der Öffnung angeordnete Fokussiereinrichtung (60) enthält.