美國IBM T J Watson研究中心開發了一種晶圓級封裝工藝，將III-V光伏（PV）器件與電子元件集成起來，以實現物聯網（IoT）應用。研究人員聲稱，他們的塵埃大小的器件“比所有先前在硅（Si）和絕緣體上的硅（SOI）襯底上的微pv獲得更高的功率密度”。

　　該團隊認為他們的工作有助于實現分布式“邊緣”計算，在這種計算中，數據的處理和存儲在接近其使用位置的地方進行，從而減少響應時間并增加帶寬。這些系統的電源需要是自主的。

　　工業應用中的身份驗證、交易監控、數據塊/交易監控。目前，這類設備需要100μW以上的電源，高達100mw，以實現高數據率人工智能（AI）和神經形態計算。

　　研究人員報告說：“我們的研究表明，我們的單片集成微型光伏是小型邊緣計算機的高通量和低成本制造的第一次示范。”III-V半導體異質結構被用于實現高功率密度。高吞吐量和低成本是部署的關鍵–以前的wirebond和芯片堆疊嘗試都受到了吞吐量和成本的限制。

　　光伏組件是在SOI襯底上制造的。與處理器和存儲器組件的互連是通過電鍍銅與銅柱連接在焊料凸點上。單獨制造的處理器和存儲器“芯片組”被連接在晶圓級工藝中。采用深反應離子刻蝕，降低切口損耗。

　　研究人員設想，這些設備將通過激光或大功率LED照明進行能量傳輸。然后能量可以儲存在片上電池中或直接使用。制作了兩種類型的光伏電池：一種是設計用于在1V左右的電壓水平下傳輸光電流的大電池，另一種是根據特殊需要增加電壓。光伏電池尺寸在45μmx45μm至400μmx200μm之間。

　　研究人員發現，使用LED而不是激光二極管光源有一些好處：較大的光斑尺寸使其對失調有更高的容忍度，而且LED不太可能損害視力。IBM使用雙透鏡準直和聚焦裝置，用大功率LED照亮光伏設備。

　　研究人員使用了1.5μm砷化鎵（GaAs）吸收結構（圖2），在800nm 10W/cm2光輸入下，可實現約60%的功率轉換效率，而在450nm照明條件下，1.5μm Si基器件的功率轉換效率僅為25%。當硅的厚度增加到9μm時，在650nm光照下，效率提高了35%。

　　采用100μmx100μmgaas基抗反射膜光伏器件，在830nm1mw光照下實現了40%的功率轉換。這與在GaAs襯底上生長的結構（45%）接近，這反過來又接近理論極限。

　　為了降低異質外延缺陷密度，采用循環退火兩步法生長了III-V材料。雖然1.5μm的吸收體相對較薄，但覆蓋在太陽能PVs上的窗層比通常的厚，以減少片阻。研究人員報告說，為了滿足更高的輸出電壓需求，他們還利用更寬的帶隙吸收材料，如鋁鎵砷化物（AlGaAs）和磷化銦鎵鎵（InGaP），在硅上制作了光伏結構。

　　在低照度下，100μmx100μm GaAs光伏電池的開路電壓損失與GaAs上的相比，在低照度下約為19%，但在10W/cm2的高功率下，這一損失降低到13%左右。

　　該論文由Ning Li等人于2020年10月23日在線發布Adv.Mater，p2004573。

原文題目：

III-V photovoltaics for IoT dust 

原文來源：

 http://www.semiconductor-today.com/news_items/2020/nov/ibm-051120.shtml