美國(guó)IBM T J Watson研究中心開發(fā)了一種晶圓級(jí)封裝工藝，將III-V光伏（PV）器件與電子元件集成起來，以實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)（IoT）應(yīng)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(tuán)隊(duì)認(rèn)為他們的工作有助于實(shí)現(xiàn)分布式“邊緣”計(jì)算，在這種計(jì)算中，數(shù)據(jù)的處理和存儲(chǔ)在接近其使用位置的地方進(jìn)行，從而減少響應(yīng)時(shí)間并增加帶寬。這些系統(tǒng)的電源需要是自主的。

　　工業(yè)應(yīng)用中的身份驗(yàn)證、交易監(jiān)控、數(shù)據(jù)塊/交易監(jiān)控。目前，這類設(shè)備需要100μW以上的電源，高達(dá)100mw，以實(shí)現(xiàn)高數(shù)據(jù)率人工智能（AI）和神經(jīng)形態(tài)計(jì)算。

　　研究人員報(bào)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(jì)算機(jī)的高通量和低成本制造的第一次示范。”III-V半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)被用于實(shí)現(xiàn)高功率密度。高吞吐量和低成本是部署的關(guān)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(chǔ)器組件的互連是通過電鍍銅與銅柱連接在焊料凸點(diǎn)上。單獨(dú)制造的處理器和存儲(chǔ)器“芯片組”被連接在晶圓級(jí)工藝中。采用深反應(yīng)離子刻蝕，降低切口損耗。

　　研究人員設(shè)想，這些設(shè)備將通過激光或大功率LED照明進(jìn)行能量傳輸。然后能量可以儲(chǔ)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(shè)計(jì)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(jù)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(fā)現(xiàn)，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(duì)失調(diào)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(zhǔn)直和聚焦裝置，用大功率LED照亮光伏設(shè)備。

　　研究人員使用了1.5μm砷化鎵（GaAs）吸收結(jié)構(gòu)（圖2），在800nm 10W/cm2光輸入下，可實(shí)現(xiàn)約60%的功率轉(zhuǎn)換效率，而在450nm照明條件下，1.5μm Si基器件的功率轉(zhuǎn)換效率僅為25%。當(dāng)硅的厚度增加到9μm時(shí)，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(shí)現(xiàn)了40%的功率轉(zhuǎn)換。這與在GaAs襯底上生長(zhǎng)的結(jié)構(gòu)（45%）接近，這反過來又接近理論極限。

　　為了降低異質(zhì)外延缺陷密度，采用循環(huán)退火兩步法生長(zhǎng)了III-V材料。雖然1.5μm的吸收體相對(duì)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(bào)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(jié)構(gòu)。

　　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(fā)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