NL8320242A - Optisch gekoppeld geintegreerd-ketenstelsel. - Google Patents

Description

8320242 VO 6054

Titel: Optisch gekoppeld geïntegreerd-ketenstelsel.

De uitvinding heeft betrekking op een geïntegreerde keten (IC) en meer in het bijzonder op een geïntegreerd-ketenstelsel..

In de afgelopen twintig jaar is de snelheid waarmee de rekeninrichtingen 5 kunnen werken vele orden van grootte toegenomen, terwijl de kosten daarvan gelijkelijk op een dramatische wijze zijn afgenomen. Dit alles is mogelijk gemaakt door het uitvinden van halfgeleider inrichtingen en het ontwikkelen van geïntegreerde ketens. Door middel van deze technologie kunnen vele duizenden ketenelementen worden ondergebracht óp een plaatje 10 van halfgeleider materiaal, dat aan elke zijde slechts een fractie van een centimeter meet. Meer in het bijzonder worden honderden van dergelijke ketens gelijktijdig naast elkaar op een gemeenschappelijk plaatje vervaardigd. De opbrengst bijeen dergelijk proces heeft evenwel de neiging af te nemen naarmate de pakkingsdichtheid en de afmetingen van elk plaatje 15 toenemen. Bovendien heeft de warmte dissipatie de neiging een prdoleem te worden naarmate de pakkingsdichtheid toeneemt. Tenslotte wordt wanneer het aantal elementen zich snel vermenigvuldigt, meer en meer van het oppervlak van het plaatje door de onderlinge verbindingsgeleiders in beslag genomen. Bij de huidige ICs kan ongeveer 30 tot 90% van het plaatje 20 op deze wijze in beslag worden genomen. Voorts wordt naarmate de afmeting van het plaatje toeneemt de toenemende lengte van de geleiders een beperkende factor, welke de snelheid bepaald, waarmede de inrichting kan werken.

Volgens de uitvinding worden geïntegreerde-ketenplaatjes opgestapeld voor het vormen van een driedimensionaal stelsel, waarbij de koppeling 25 tussen de plaatjes langs optische weg plaatsvindt. Dit maakt het gebruik van kleinere, minder dicht gepakte plaatjes mogelijk, hetgeen leidt tot dienovereenkomstig hogere opbrengsten. Bovendien wordt door het gebruik van kleinere, minder dicht gepakte plaatjes het oppervlak van het plaatje, dat door de onderlinge verbindingsgeleiders wordt vereist, gereduceerd.

30 Bovendien worden hierdoor de lengten van de onderlinge verbindingsgeleiders gereduceerd, waardoor grotere bedrijfssnelheden mogelijk zijn.

De uitvinding zal onderstaand nader worden toegelicht onder verwijzing naar de tekening. Daarbij toont:

Fig. 1 een uiteen genomen aanzicht van een optisch gekoppeld stelsel 35 van geïntegreerde ketens; 8320242 -2-

Fig. 2 een doorsnede over het stelsel volgens figuur 1;

Fig. 3 tot 5 illustratieve uitvoeringsvormen van LEDs en foto detectoren ten gebruike bij dergelijke stelsels; en

Fig. 6 het gebruik van focusseringsorganen in een koppelopening.

5 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 volgens de uitvinding. De plaatjes zijn bij voorkeur opgesteld tussen twee warmte afvoerorganen 12-1, 12-2 .... 12-(n+l), waarbij de brede planaire vlakken van de plaatjes evenwijdig zijn aan én in aanraking zijn 10 met de planaire vlakken van de naast gelegen warmte afvoerorganen.

Elk van de plaatjes is voorzien van de vereiste electrische verbindings-orgai^en, zoals 13 en 14, om electrisch vermogen aan de ketens toe te voeren en, wanneer nodig, informatiesignalen aan het stelsel toe te voeren of uit het stelsel af te voeren. Signalen kunnen ook langs optische weg 15 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 meer detail aangegeven in figuur 2, welke een doorsnede over het stelsel toont. Onder gebruik van de zelfde verwijzingen als die van 20 figuur 1 voor het identificeren van overeenkomstige componenten, toont figuur 2 een vezel 16, die zich door een opening 20 in het warmte afvoer-orgaan 12-1 uitstrekt, en een foto detector 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 LEDs 22 en 25 25 en bijbehorende foto detectoren 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 afvoerorgaan 12-2.Bovendien wordt, als aange-30 geven, 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 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 uitstrek-35 ken vanuit het begingedeelte van de geïntegreerde keten naar de omtrek 0320242 -3- 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 de lengten van de geleiders, welke worden gebruikt 5 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 10 GaAs, IhP en InGaAsP), zodat kleine LEDs met gering vermogen en foto detectoren op verschillende plaatsen daarvan aanwezig kunnen zijn. (Zie bijvoorbeeld het artikel van F.H. Eisen getiteld "Materials and processes for GaAs integrated circuits", institute Physiscal Conference Serial Nr.

63 Chapter 11 paper, aangeboden op het Symposium GaAs and related compounds 15 Japan 1981.).

De figuren 3 tot en met 5 tonen meer gedetailleerd illustratieve LED en foto detector inrichtingen voor het toepassen van de uitvinding.

Bij de uitvoeringsvorm volgens figuur 3 vormt een epitaxiale laag 30 van een materiaal met een eerste geleiding, neergeslagen op een mesa 20 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 laag uit materiaal van het p-type. Het bovenvlak is bekleed met een isolatie laag 33, waarin boven de laag 30 een opening is gevormd. Met de fotodiode wordt een ohms contact tot stand gebracht 25 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. Stralings energie wordt via een opening in de laag 34 aan de diode toegevoerd of daaruit afgevoerd.

Bij gebruik als een signaal emissie inrichting, wordt aan het boven-30 ste 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.

35 Om de uitgestraalde energie, afkomstig uit de fotodiode, te focusseren 8320242 -4- en derhalve een storende 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 5 volgens figuur 3 en omvat een laag 40 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 10 46, en een tweede metallisch verbindingsorgaan 47, dat in aanraking is met het 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 planaire diode configuratie ten gebruike bij de 15 uitvinding, waarbij de fotodiode wordt gevormd door een geschikt doteer-middel in de substraat 50 van het plaatje te defunderen teneinde een gebied met tegengestelde geleiding bijvoorbeeld een gebied 51 van het p-type in een substraat van het n-type te vormen. Een metallisch verbindingsorgaan 52 maakt een ohms contact met het gebied 51 via een opening 58 in de iso-20 latielaag 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 deze 25 wijze kan een optische koppeling gelijktijdig tot stand worden gebracht tussen een plaatje en twee andere daartegenover gelegen plaatjes van het stelsel, of tussen een plaatje en een vezel, of een combinatie daarvan.

Een voordeel van de uitvinding is, dat een groot aantal betrekkelijk kleine ICs in een enkel pakket kan worden gemonteerd op een wijze, 30 waarbij aan de snelheid geen beperkingen worden opgelegd. Aangezien de vervaardigingsopbrengst voor kleine plaatjes steeds groter is dan de opbrengst van grotere plaatjes, kan een groter percentage van verwerkte plaatjes in een optisch gekoppeld stelsel volgens de uitvinding worden gebruikt dan het geval zou zijn indien dezelfde functie moest worden 35 verricht door een enkel groter plaatje. Bovendien zijn de pakketten voor 8320242 -5— cfe huidige ICs typerend veel groter dan het IC-plaatje daarin in verband met de noodzaak de vele electrische verbindingen mechanisch te laten uitwaaieren. Een optisch gekoppeld plaatstelsel daarentegen bezit minder uitwendige verbindingen en kan zodanig worden ontworpen, dat slechts 5 uitwendige gelijkstroom verbindingen 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 afvoer organen aanwezig zijn. Indien nodig kunnen de warmte afvoer organen zo dik worden gemaakt, dat zij leidingen voor koelfluïda kunnen 10 bevatten. Bovendien kan in de koppelopening een lens worden opgenomen om het optische koppelrendement 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 het welk energie wordt overgedragen. Door gebruik te maken 15 spherische glazen lenzen wordt de noodzaak tot een oriëntatie centrering tijdens de vervaardiging geëlimineerd.

S 3 2 0 2 4 2

Claims (7)

1. 4 * -6-
2. 1. Gelntegreerd-keten stelsel voorzien van tenminste twee geïntegreerde ketenplaatjes, elk met een paar brede planaire vlakken, welke plaatjes naast elkaar zijn opgestapeld, waarbij de brede, planaire vlakken daarvan in hoofdzaak aan elkaar zijn, gekenmerkt door organen (22) voor- 5 zien van tenminste één stralingsenergiebron, welke zich op één van de plaatjes bevindt en tenminste één stralingsenergie detector (24), die zich op het andere van de plaatjes bevindt voor het ontvangen van stralingsenergie, die door de genoemde bron wordt geëmitteerd.
3. 2. Stelsel volgens conclusie 1 gekenmerkt door een aantal van n plaat-10 jes, waarbij n een geheel getal is, dat groter is dan twee en een aantal stralings energiebronnen en stralingsenergie detectoren, die over de plaatjes zijn verdeeld, waarbij elke bron bestemd is om stralingsenergie aan tenminste één van de detectoren toe te voeren.
4. 3. Stelsel volgens conclusie 1 met het kenmerk, dat tussen naast 15 elkaar gelegen paren plaatjes een warmte afvoerorgaan aanwezig is.
5. 4. Stelsel volgens conclusie 3 gekenmerkt door organen (23) om stralingsenergie via het warmte afvoerorgaan te koppelen.
6. 5. Stelsel volgens conclusie 4 met het kenmerk, dat de genoemde organen bestaan uit een opening.
7. 20 S. Stelsel volgens conclusie 4 met het kenmerk, dat de genoemde orga nen zijn voorzien van een opening (61) en binnen deze opening opgestelde focusseringsorganen (60). ¢32024¾