美国IBM T J Watson研究中心开发了一种晶圆级封装工艺，将III-V光伏（PV）器件与电子元件集成起来，以实现物联网（IoT）应用。研究人员声称，他们的尘埃大小的器件“比所有先前在硅（Si）和绝缘体上的硅（SOI）衬底上的微pv获得更高的功率密度”。

　　该团队认为他们的工作有助于实现分布式“边缘”计算，在这种计算中，数据的处理和存储在接近其使用位置的地方进行，从而减少响应时间并增加带宽。这些系统的电源需要是自主的。

　　工业应用中的身份验证、交易监控、数据块/交易监控。目前，这类设备需要100μW以上的电源，高达100mw，以实现高数据率人工智能（AI）和神经形态计算。

　　研究人员报告说：“我们的研究表明，我们的单片集成微型光伏是小型边缘计算机的高通量和低成本制造的第一次示范。”III-V半导体异质结构被用于实现高功率密度。高吞吐量和低成本是部署的关键–以前的wirebond和芯片堆叠尝试都受到了吞吐量和成本的限制。

　　光伏组件是在SOI衬底上制造的。与处理器和存储器组件的互连是通过电镀铜与铜柱连接在焊料凸点上。单独制造的处理器和存储器“芯片组”被连接在晶圆级工艺中。采用深反应离子刻蚀，降低切口损耗。

　　研究人员设想，这些设备将通过激光或大功率LED照明进行能量传输。然后能量可以储存在片上电池中或直接使用。制作了两种类型的光伏电池：一种是设计用于在1V左右的电压水平下传输光电流的大电池，另一种是根据特殊需要增加电压。光伏电池尺寸在45μmx45μm至400μmx200μm之间。

　　研究人员发现，使用LED而不是激光二极管光源有一些好处：较大的光斑尺寸使其对失调有更高的容忍度，而且LED不太可能损害视力。IBM使用双透镜准直和聚焦装置，用大功率LED照亮光伏设备。

　　研究人员使用了1.5μm砷化镓（GaAs）吸收结构（图2），在800nm 10W/cm2光输入下，可实现约60%的功率转换效率，而在450nm照明条件下，1.5μm Si基器件的功率转换效率仅为25%。当硅的厚度增加到9μm时，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光照下实现了40%的功率转换。这与在GaAs衬底上生长的结构（45%）接近，这反过来又接近理论极限。

　　为了降低异质外延缺陷密度，采用循环退火两步法生长了III-V材料。虽然1.5μm的吸收体相对较薄，但覆盖在太阳能PVs上的窗层比通常的厚，以减少片阻。研究人员报告说，为了满足更高的输出电压需求，他们还利用更宽的带隙吸收材料，如铝镓砷化物（AlGaAs）和磷化铟镓镓（InGaP），在硅上制作了光伏结构。

　　在低照度下，100μmx100μm GaAs光伏电池的开路电压损失与GaAs上的相比，在低照度下约为19%，但在10W/cm2的高功率下，这一损失降低到13%左右。

　　该论文由Ning Li等人于2020年10月23日在线发布Adv.Mater，p2004573。

原文题目：

III-V photovoltaics for IoT dust 

原文来源：

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