NL192413C - Geïntegreerd-ketenstelsel. - Google Patents

Description

1 192413

Geïntegreerd ketenstelsel

De uitvinding heeft betrekking op een geïntegreerd ketenstelsel.

In de afgelopen twintig jaar is de snelheid waarmee rekeninrichtingen kunnen werken, vele orden van 5 grootte toegenomen, terwijl de kosten daarvan even dramatisch zijn afgenomen. Dit alles is mogelijk gemaakt door het uitvinden van halfgeleiderinrichlingen en het ontwikkelen van geïntegreerde ketens. Door middel van deze technologie kunnen vele duizenden ketenelementen worden ondergebracht op een plaatje (chip) van halfgeleidermateriaal, dat aan elke zijde slechte een fractie van een centimeter meet. Meer in het bijzonder worden honderden van dergelijke ketens gelijktijcBg naast elkaar op een gemeenschappelijke 10 wafer vervaardigd. De opbrengst bij een deigelijk proces heeft evenwel de neiging af te nemen naarmate de pakkingsdichtheid en de afmetingen van elke chip toenemen. Bovendien heeft de warmtedissipatie de neiging een probleem te worden naarmate de pakkingsdichtheid toeneemt. Tenslotte wordt, naarmate het aantal elementen toeneemt, meer en meer van het chipoppervlak door de onderlinge verbindingsgeleiders in beslag genomen. Bij de huidige IC’s kan ongeveer 30 tot 90% van de chip op deze wijze in beslag worden 15 genomen. Voorts wordt, naarmate de afmeting van de chip toeneemt, de toenemende lengte van de

Het is een algemeen doel van de onderhavige uitvinding om een oplossing voor dit probleem te verschaffen.

Meer in het bijzonder beoogt de uitvinding een geïntegreerd ketenstelsel te verschaffen waarbij de 20 verbindingsgeleiders minder chipoppervlak in beslag nemen en in mindere mate bijdragen aan de warmtedissipatie. Voort beoogt de uitvinding een dergelijk stelsel zodanig uit te voeren, dat de warmte die toch ontwikkeld wordt, in mindere mate een probleem vomit.

De uitvinding verschaft daartoe een geïntegreerd ketenstelsel, omvattende een veelvoud van geïntegreerde-ketenchips, waarbij elke chip een paar planaire oppervlakken heeft, en waarbij de chips 25 gestapeld zijn zodat hun planaire oppervlakken in hoofdzaak evenwijdig aan elkaar zijn; welk stelsel is voorzien van tussen naburige chips opgestelde warmte-afvoerorganen; welk stelsel voorts een veelvoud van stralingsbronnen en stralingsdetectoren omvat voor het verschaffen van een koppeling tussen de chips, waarbij ten minste een eerste stralingsbron en een eerste stralingsdetector zich bevinden op een eerste chip en waarbij ten minste een tweede stralingsbron en een tweede stralingsdetector zich bevinden op een 30 tweede chip, zodanig dat de eerste stralingsbron straling kan koppelen naar de tweede stralingsdetector en dat de tweede stralingsbron straling kan koppelen naar de eerste stralingsdetector; waarbij genoemde warmte-afvoerorganen middelen omvatten om genoemde straling door zichzelf heen te koppelen.

Genoemde straling kan optische straling zijn.

Aldus verlaat de onderhavige uitvinding het idee van het vergroten van het oppervlak van een enkele 35 chip en/of het verkleinen van de afmetingen van de afzonderlijke componenten van de geïntegreerde schakeling in een enkele chip, maar stelt de onderhavige uitvinding voor om afzonderlijke chips op elkaar te stapelen voor het vormen van een driedimensionaal stelsel. Tussen de afzonderlijke chips zijn warmte-afvoerorganen aanwezig. Voor de communicatie tussen de afzonderlijke chips wordt gebruik gemaakt van stralingskoppeling, bijvoorbeeld optische koppeling. De warmte-afvoerorganen zijn daarbij voorzien van 40 middelen om een dergelijke koppeling toe te laten. Door de optische communicatiemiddelen wordt minder geproduceerd dan bij elektrische communicatie het geval zou zijn, terwijl het door onderlinge verbindings-leiders in beslag genomen gedeelte van het chipoppervlak is verminderd. Een groter deel van het oppervlak kan derhalve worden benut voor het vervaardigen van de ketencomponenten, waarbij kleinere, minder dicht gepakte chips mogelijk zijn, hetgeen leidt tot minder uitval. Voorts, aangezien de lengte van de onderlinge 45 verbindingsleiders aanzienlijk is verminderd, zijn grotere bedrijfssnelheden mogelijk.

Opgemerkt wordt, dat op zich het gebruik van optische communicatie in combinatie met elektrische ketens bekend is. In het artikel ’’Advances in Microminiaturization” van Michael F. Wolff in Electronics, 1963, blz. 45-60, wordt op blz. 58 de verwachting uitgesproken, dat in een halfgeleidermateriaal met foto-geleidende eigenschappen optische verbindingen mogelijk zouden kunnen zijn.

50 Het Amerikaanse octrooi schrift 3.748.548 beschrijft een structuur van op elkaar aangebrachte halfgeleideriagen waarin ketencomponenten zijn gevormd. Deze enkele eenheid wordt echter sequentieel gevormd door steeds een nieuwe halfgeleideriaag aan te brengen op een tussenstadium, en in die nieuwe halfgeleiderlaag ketencomponenten te vormen. Een deigelijk vervaardigingsproces is nogal ingewikkeld. Voorts is een dergelijke aanpak niet goed geschikt voor het vormen van een stelsel met een groot aantal 55 componenten, omdat geen middelen voor het afvoeren van warmte aanwezig zijn.

Het Amerikaanse octrooischrift 3.636.358 beschrijft op zich een geïntegreerd opto-elektronisch systeem dat twee ketenvlakken heeft, en waarbij communicatie tussen die ketenvlakken via optische weg kan 192413 2 plaatsvinden.

De uitvinding zal onderstaand nader worden toegelicht onder verwijzing naar de tekening. Daarbij toont: figuur 1 een uiteen genomen aanzicht van een optisch gekoppeld stelsel van geïntegreerde ketens; 5 figuur 2 een doorsnede over het stelsel volgens figuur 1; figuren 3 tot 5 illustratieve uitvoeringsvormen van LED’s en foto detectoren ten gebruike bij detgelijke stelsels; en figuur 6 het gebruik van focusseringsorganen in een koppelopening.

10 In de tekeningen toont figuur 1 een uiteengenomen aanzicht van een drie dimensionaal stelsel 10 van n geïntegreerde ketenplaatjes 11-1,11-2,.... -11-n. De plantjes zijn bij voorkeur opgesteld tussen twee warmte-afvoerorganen 12-1,12-2......12-(n+1), waarbij de brede planaire vlakken van de plaatjes evenwijdig zijn aan en in aanraking zijn met de planaire vlakken van de naast gelegen warmte-afvoerorganen.

15 Elk van de plaatjes is voorzien van de vereiste elektrische verbindingsorganen, zoals 13 en 14, om te voeren of uit het stelsel af te voeren. Signalen kunnen ook langs optische weg door middel van optische vezels 16 en 17 aan het stelsel worden toegevoerd of daaruit worden afgevoerd. Bovendien worden optische organen gebruikt om signalen tussen de geïntegreerde ketens van het stelsel te koppelen. Dit is in 20 meer detail aangegeven in figuur 2, welke een doorsnede over het stelsel toont. Onder gebruik van de zelfde verwijzingen als die van figuur 1 voor het identificeren van overeenkomstige componenten, toont figuur 2 een vezel 16, die zich door een opening 20 in het warmte-afvoerorgaan 12-1 uitstrekt, en een fotodetector 21, die in het plaatje 11-1 aanwezig is voor het ontvangen van stralingsenergie, die uit de vezel 16 wordt geëmitteerd. Eveneens zijn in de plaatjes 11-1 en 11-2 LED’s 22 en 25 en bijbehorende fotodetec-25 toren 19, 24 en 27 opgenomen, zoals aangegeven. Stralingsenergie wordt tussen de LED 22 en de detector 24 gekoppeld via een opening 23 in het warmte-afvoerorgaan 12-2. Op een soortgelijke wijze wordt stralingsenergie tussen de LED 25 en de detector 27 gekoppeld via een opening 26 in het warmte-afvoeroigaan 12-2. Bovendien wordt, als aangegeven, stralingsenergie uit de bron 22 naar beneden naar een detector 19 op het plaatje 11-n gericht via openingen, zoals 28 en 29, in de tussen gelegen plaatjes en 30 warmte-afvoerorganen. Op deze wijze kunnen signalen op een eenvoudige manier tussen de plaatjes worden gekoppeld zonder dat geleiders nodig zijn, welke zich bij de bekende plaatjes moeten uitstrekken vanuit het begingedeelte van de geïntegreerde keten naar de omtrek van het eerste plaatje, via een uitwendige verbinding naar de omtrek van het tweede plaatje en daarna naar de opneemplaats van de tweede geïntegreerde keten. Behalve, dat de geleiders oppervlak op de plaatjes in beslag nemen, hebben 35 de lengten van de geleiders, welke worden gebruikt bij het tot stand brengen van deze verbindingen, de neiging een bovengrens aan de bedrijfssnelheid van de resulterende keten te stellen.

De IC-plaatjes 11-1 tot en met 11-n zijn in hoofdzaak gelijk aan de huidige IC-plaatjes behalve, dat zij bij voorkeur worden vervaardigd uit halfgeleider materialen met directe energiesprong (dat wil zeggen GaAs,

InP en InGaAsP), zodat kleine LED’s met gering vermogen en fotodetectoren op verschillende plaatsen 40 daarvan aanwezig kunnen zijn.

De figuren 3 tot en met 5 tonen meer gedetailleerd illustratieve LED en fotodetectorinrichtingen. Bij de uitvoeringsvorm volgens figuur 3 vormt een epitaxiale laag 30 van een materiaal met een eerste geleiding, neergeslagen op een mesa van substraat materiaal 31 met tegengestelde geleiding, een fotodiode. Ter illustratie is de substraat gekenmerkt als zijnde van het n-type en bestaat de epitaxiale lag uit materiaal van 45 het p-type. Het bovenvlak is bekleed met een isolatielaag 33, waarin boven de laag 30 een opening is gevormd. Met de fotodiode wordt een ohms contact tot stand gebracht door een eerste metallische (bijvoorbeeld uit goud bestaande) laag 35 boven de laag 30 neer te slaan en een tweede metallische laag 34 op het ondervlak van de substraat 31 neer te slaan. Stralingsenergie wordt via een opening in de laag 34 aan de diode toegevoerd of daaruit afgevoerd.

50 Bij gebruik als een signaalemissie-inrichting wordt aan het bovenste contact 35 een aandrijfstroom toegevoerd en wordt stralingsenergie via de opening 36 in het onderste contact 34 afgenomen, als aangegeven in figuur 3. Bij gebruik als een detector wordt stralingsenergie via de opening in het contact 34 op de diode gericht en treedt de resulterende uitgangsstroom bij het contact 35 op.

Om de uitgestraalde energie, afkomstig uit de fotodiode, te focusseren en derhalve een storende 55 kruislingse koppeling met andere fotodetectoren uit te sluiten, strekt het contact 35 zich bij voorkeur langs de zijde van de mesa 32 uit.

De uitvoeringsvorm volgens figuur 4 is in wezen dezelfde als die volgens figuur 3 en omvat een laag 40

Claims (5)

1. Geïntegreerd ketenstelsel, omvattende een veelvoud van geïntegreerde-ketenchips (11-1 t/m 11-n), waarbij elke chip een paar plenaire oppervlakken heeft, en waarbij de chips gestapeld zijn zodat hun 40 planaire oppervlakken in hoofdzaak evenwijdig aan elkaar zijn; welk stelsel is voorzien van tussen naburige chips opgestelde warmte-afvoerorganen (12-2 t/m 12-n); welk stelsel voorts een veelvoud van stralingsbronnen (22, 25) en stralingsdetectoren (24, 27) omvat voor het verschaffen van een koppeling tussen de chips, waarbij ten minste een eerste stralingsbron (25) en een eerste stralingsdetector (24) zich bevinden op een eerste chip (11-1) en waarbij ten minste een 45 tweede stralingsbron (22) en een tweede stralingsdetector (27) zich bevinden op een tweede chip (11 -2), zodanig dat de eerste stralingsbron (25) straling kan koppelen naar de tweede stralingsdetector (27) en dat de tweede stralingsbron (22) straling kan koppelen naar de eerste stralingsdetector (24); waarbij genoemde warmte-afvoerorganen (12-2 t/m 12-n) middelen omvatten om genoemde straling door zichzelf heen te koppelen.

2. Stelsel volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat genoemde warmte-afvoerorganen (12-2 t/m 12-n) openingen (23, 26) omvatten om genoemde straling door te laten.

3. Stelsel volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat ten minste één van de openingen is voorzien van focusseerorganen (60) om het koppelen van een stralingsbron en een stralingsdetector te vergemakkelijken.

3 192413 van een halfgeleider materiaal van het n-type, neergeslagen op een mesa van de zich daaronder bevindende substraat 41 van materiaal van het p-type voor het vormen van een fotodiode. Met de diode wordt een ohms contact tot stand gebracht door middel van een eerste metallisch verbindingsorgaan 44 via een opening in een isolatielaag 46, en een tweede metallisch verbindingsorgaan 47, dat in aanraking is met het 5 ondervak van de substraat 41. Bij deze uitvoeringsvorm wordt stralingsenergie via een opening 45 in het bovenste metallische verbindingsorgaan 44 aan de fotodiode toegevoerd of daaruit afgevoerd. Figuur 5 toont een plenaire diodeconfiguratie ten gebruike bij de uitvinding, waarbij de fotodiode wordt gevormd door een geschikt doteermiddel in de substraat 50 van het plaatje te diffunderen teneinde een gebied met tegengestelde geleiding, bijvoorbeeld een gebied 51 van het p-type, in een substraat van het 10 n-type te vormen. Een metallisch verbindingsorgaan 52 maakt een ohms contact met het gebied 51 via een opening 58 in de isolatielaag 53. Een tweede metallisch verbindingsorgaan 55 maakt een ohms contact met het ondervlak van de substraat. Bij deze uitvoeringsvorm kan stralingsenergie via de isolatielaag 53 en/of via een opening 56 in het tweede metallische verbindingsorgaan 55 aan de diode worden toegevoerd of daaruit worden afgevoerd. Op 15 deze wijze kan een optische koppeling gelijktijdig tot stand worden gebracht tussen een plaatje en twee combinatie daarvan. Een voordeel van de uitvinding is, dat een groot aantal betrekkelijk kleine IC’s in een enkel pakket kan worden gemonteerd op een wijze, waarbij aan de snelheid geen beperkingen worden opgelegd. Aangezien 20 de vervaardigingsopbrengst voor kleine plaatjes steeds groter is dan de opbrengst van grotere plaatjes, kan een groter percentage van verwerkte plaatjes worden gebruikt dan het geval zou zijn indien dezelfde functie moest worden verricht door een enkel groter plaatje. Bovendien zijn de pakketten voor de huidige IC's typerend veel groter dan het IC-plaatje daarin in verband met de noodzaak de vele elektrische verbindingen mechanisch te laten uitwaaieren. Een optisch gekoppeld plaatstelsel daarentegen bezit minder uitwendige 25 verbindingen en kan zodanig worden ontworpen, dat slechts uitwendige gelijkstroomverbindingen en een optisch vezellint nodig zijn. Derhalve kunnen kleinere pakketten worden verkregen. Zoals aangegeven in de figuren 1 en 2 kunnen tussen de plaatjes warmte-afvoerorganen aanwezig zijn. indien nodig kunnen de warmte-afvoerorganen zo dik worden gemaakt, dat zij leidingen voor koelfluïda kunnen bevatten. Bovendien kan in de koppelopening een lens worden opgenomen om het optische 30 koppeliendement te vergroten, als aangegeven in figuur 6, waarin een lens 60 is weergegeven, die in een koppelopening 61 is opgesteld. Deze laatste kan zich bevinden in of een plaatje of een warmte-afvoerorgaan via hetwelk energie wordt overgedragen. Door gebruik te maken van sferische glazen lenzen wordt de noodzaak tot een oriëntatie-centrering tijdens de vervaardiging geëlimineerd. 35

4. Stelsel volgens een willekeurige der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat een stralingsbron (22) 55 van een chip (11-2) is gekoppeld met meerdere stralingsdetectoren (24,19) van meerdere chips (11-1, 192413 4 11-n) in het stelsel.

5. Stelsel volgens een willekeurige der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat een paar niet-nabuiige chips (11-2,11-n) direct is gekoppeld door middel van genoemde stralingsbnonnen en stralingsdetectoren. Hierbij 2 bladen tekening