DE3720153A1 - Anordnung zur optoelektronischen kopplung von integrierten schaltungen, die in mindestens zwei halbleiterscheiben enthalten sind - Google Patents

Anordnung zur optoelektronischen kopplung von integrierten schaltungen, die in mindestens zwei halbleiterscheiben enthalten sind

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Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur optoelektronischen Kopplung von integrierten Schaltungen, die in mindestens zwei Halbleiterscheiben enthalten sind.
Zur Realisierung von hochkomplexen integrierten Schaltungen werden integrierte Schaltungen enthaltende Halbleiterscheiben übereinander gestapelt und die Schaltungen miteinander ver­ koppelt. Die Kopplung kann durch Verdrahtung erfolgen. Diese Lösung ist jedoch zur Zeit sehr kostenintensiv. Ein weiterer Nachteil ist, daß Elemente in der Mitte eines Chips nicht ohne weiteres miteinander verdrahtet werden können. Eine bekannte Lösung für Siliziumscheiben besteht darin, auf Siliziumscheiben GaAs-Dioden durch epitaktische Abscheidung aufzubringen. Das von den GaAs-Dioden ausgesandte Licht kann von Siliziumphoto­ dioden empfangen werden, da es eine kürzere Wellenlänge hat, als es dem Bandabstand im Silizium entspricht. Silizium ist für das von GaAs-Dioden ausgesandte Licht undurchlässig. Deshalb ist die Kopplungsart für eine Verkopplung von mehreren über­ einander gestapelten integrierten Schaltungen ungeeignet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine weitere Möglich­ keit zur optoelektronischen Kopplung für integrierte Schal­ tungen, die in mindestens zwei Halbleiterscheiben enthalten sind, anzugeben.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Anordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 gelöst, wie dies im kennzeichnen­ den Teil des Anspruchs 1 angegeben ist.
Ein Vorteil dieser Lösung ist, daß eine Verkopplung insbe­ sondere in der Mitte der Scheibe ohne weiteres möglich ist. Da ein direkter Kontakt der Halbleiterscheiben nicht benötigt wird, kann zwischen den gestapelten Halbleiterscheiben zur Kühlung Luft zirkulieren.
Die Anordnung nach Anspruch 4 hat den Vorteil, daß auf den Erfahrungsschatz der Siliziumtechnologie für die zu verkoppeln­ den Schaltungen zurückgegriffen werden kann.
Die Anordnung nach Anspruch 5 hat den Vorteil, daß die Reflektionen an der Grenzfläche Luft-Halbleiter vermindert werden. Dadurch wird die Transmission des ausgesandten Lichts in das Halbleitermaterial optimiert, und die Lichtverluste werden verringert. Ferner werden Störungen durch reflektiertes Licht vermieden.
Die Anordnung nach Anspruch 6 hat den Vorteil, daß das ausge­ sandte Licht gut gerichtet ist. Bei der Verwendung von Halb­ leiterlaserdioden kann das gut gebündelte Licht direkt auf den Empfänger gerichtet werden. Streuung aus dem Lichtbündel heraus kann vernachlässigt werden.
Die Anordnung nach Anspruch 7 hat den Vorteil, daß statt der kostspieligen und empfindlichen Laserdioden kostengünstigere und robustere LED′s (Licht emittierende Dioden) verwendet werden. Da LED′s mit geringerem Strom betrieben werden, wird der Schaltungsaufwand viel einfacher; außerdem sind LED′s im Gegensatz zu Laserdioden auch für die Übermittlung analoger Signale geeignet.
Beim Aufbau der Anordnung nach Anspruch 8 entfallen Justier­ schritte für die optischen Elemente, da die LED′s selbst­ justiert in die zuvor geätzen Gruben abgeschieden werden.
Die Anordnung nach Anspruch 9 sichert eine störungsfreie Ver­ kopplung der integrierten Schaltungen. Die Maske absorbiert gestreutes Licht, das außerhalb der Kopplungsbereiche auftritt, und verhindert dadurch eine Störung der Schaltung durch Streuung.
Die Anordnung nach Anspruch 10 ermöglicht einen kompakten Aufbau von Schaltungen in gestapelten Halbleiterscheiben, da eine direkte Kopplung verschiedener Elemente auch über größere Entfernungen hinweg möglich ist.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den übrigen Unteransprüchen hervor.
Die Erfindung wird anhand der Figur näher erläutert.
Die Anordnung enthält z. B. vier Halbleiterscheiben 1, von denen drei übereinander gestapelt sind und eine seitlich von dem Stapel angeordnet ist. Die Halbleiterscheiben 1 bestehen z. B. aus Silizium.
Auf den Halbleiterscheiben 1 sind Lichtsender 2 und Licht­ empfänger 3 angeordnet. Lichtsender 2 und Lichtempfänger 3 werden z. B. epitaktisch auf die Halbleiteroberfläche aufge­ bracht. Sie sind mit der in der Halbleiterscheibe 1 enthaltenen integrierten Schaltungen elektrisch verbunden. Die Wellenlänge des Lichts, das von den Lichtsendern 2 emittiert wird und auf das die Lichtempfänger 3 empfindlich sind, ist so auf das Halb­ leitermaterial der Halbleiterscheiben 1 abgestimmt, daß die Halbleiterscheiben 1 für das Licht durchlässig sind. In dem Beispiel von Halbleiterscheiben 1 aus Silizium eignen sich z. B. InP-Dioden, da das Licht von InP-Dioden langwelliger ist, als es dem Bandabstand im Silizium entspricht. Damit ist Silizium für InP-Licht durchlässig.
Als Lichtsender 2 können z. B. LED′s verwendet werden.
Für eine störungsfreie Kopplung ist es nötig, daß das Licht nur in Richtung des Lichtempfängers 3 ausgesandt wird. In andere Richtungen ausgestrahltes Licht führt zu unerwünschten Kopp­ lungen. Das Licht einer LED wird in alle Richtungen ausge­ sandt. Die erforderliche Richtcharakteristik senkrecht zur Halbleiteroberfläche muß durch optische Elemente hergestellt werden. Dazu werden vor dem Aufbringen der Lichtsender 2 Gruben 5 in die Oberfläche der Halbleiterscheiben 1 geätzt. In die Gruben 5 werden die Lichtsender 2 epitaktisch aufgebracht. Die Oberfläche der Gruben 5 wirkt wie ein Parabolspiegel. Das Licht des Lichtsenders 2 wird ähnlich wie in einem Scheinwerfer ge­ bündelt. Die Verwendung von LED′s als Lichtsender 2 ist vor­ teilhaft, weil LED′s kostengünstig und robust sind. Sie erfor­ dern wegen des Fehlens eines Schwellenstroms keine aufwendige Ansteuerung und sind für die Analogtechnik geeignet. Ferner ist die Stromaufnahme und damit die Erwärmung im Betrieb von LED′s so, daß keine Einrichtungen zur Wärmeableitung wie z. B. Wärmesenken erforderlich sind.
Da die Halbleiterscheiben 1 für das Licht der Lichtsender 2 durchlässig sind, ist es möglich, die Lichtempfänger 3 auf einer dem zugehörigen Lichtsender 2 abgewandten Seite der Halb­ leiterscheibe 1 anzubringen. Es ist ferner möglich, Licht­ sender 2 und Lichtempfänger 3 auf nicht unmittelbar benachbar­ ten Halbleiterscheiben 1 zu koppeln, da die dazwischenliegen­ den Halbleiterscheiben 1 durchstrahlt werden können.
Beim Durchgang von Licht durch Materie, z. B. durch Halbleiter­ scheiben 1, wird an jeder Grenzfläche zwischen Luft und Materie ein Teil des Lichtes reflektiert. Dieses reflektierte Licht sollte beim Durchgang durch die Halbleiterscheiben 1 minimiert werden, um störende Reflexe zu vermeiden und um die Trans­ mission des Lichts in die Halbleiterscheibe 1 zu optimieren. Dazu kann auf die Unterseite der Halbleiterscheiben 1 eine Schicht 4 zur optischen Vergütung aufgebracht werden.
Eine weitere Maßnahme, mit der Reflexe und Streulicht vermie­ den werden können, besteht darin, daß zwischen den zu ver­ koppelnden Halbleiterscheiben 1 Masken 6 angeordnet werden. Die Masken 6 bestehen aus einem lichtundurchlässigen Material. Sie sind an einzelnen Stellen lichtdurchlässig, z. B. durch Bohrun­ gen, und gewährleisten so, daß nur dort, wo eine Verkopplung erwünscht ist, Licht von einem Lichtsender 2 zu dem zugehörigen Lichtempfänger 3 gelangen kann.
Da die Lichtsender 2 und die Lichtempfänger 3 in der Ober­ fläche der Halbleiterscheibe 1 integriert sind, ist es ohne weiteren Aufwand möglich, Kopplungen in der Mitte der Halb­ leiterscheiben 1 anzubringen.

Claims (11)

1. Anordnung zur optoelektronischen Kopplung von integrierten Schaltungen, die in mindestens zwei Halbleiterscheiben ent­ halten sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterscheiben (1) Lichtsender (2) und Lichtempfänger (3) enthalten, die Licht in einem Wellenlängenbereich senden bzw. empfangen, in dem die Halbleiterscheiben (1) lichtdurchlässig sind.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Lichtsender (2) und die Lichtempfänger (3) Dioden aus III-V-Verbindungen sind.
3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Lichtsender (2) und die Licht­ empfänger (3) epitaktisch auf die Halbleiterscheiben (1) aufgebracht sind.
4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterscheiben (1) aus Silizium bestehen.
5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Unterseite der Halbleiterscheiben (1) eine Schicht (4) zur optischen Vergütung vorgesehen ist.
6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Lichtsender (2) Halb­ leiterlaserdioden vorgesehen sind.
7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Lichtsender (2) LED′s vorgesehen sind und daß das Licht der LED′s durch optische Elemente auf den zugehörigen Lichtempfänger (3) gerichtet ist.
8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeich­ net, daß in die Oberfläche der Halbleiterscheiben (1) Gruben (5) geätzt sind, in denen die LED′s angeordnet sind und die als Parabolspiegel für das LED-Licht wirken.
9. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Maske (6) vorgesehen ist, die zwischen je zwei Halbleiterscheiben (1) gelegt ist und die nur dort lichtdurchlässig ist, wo eine optische Kopplung erwünscht ist.
10. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß mehr als zwei Halbleiter­ scheiben (1) vorgesehen sind, daß Lichtsender (2) und zuge­ hörige Lichtempfänger (3) auf nicht unmittelbar benachbarten Halbleiterscheiben (1) angeordnet sind, so daß Halbleiter­ scheiben (1), die nicht unmittelbar aufeinander folgen, mit­ einander verkoppelt werden und die dazwischen liegenden Halb­ leiterscheiben (1) vom Licht durchstrahlt werden.
11. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterscheiben (1) so angeordnet sind, daß sich die zugehörigen Lichtempfänger (3) und Lichtsender (2) auf aneinander angrenzenden Halbleiterober­ flächen befinden.
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DE3720153C2 (de) 1993-06-03

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