异质集成|美国IBM T J Watson开发出晶圆级封装工艺，用于制造光伏物联网“尘埃”
美国IBM T J Watson研究中心开发了一种晶圆级封装工艺，可以实现III-V光伏（PV）器件与电子元器件集成，满足物联网（IoT)应用需求，并表示，该尘埃大小的器件“比之前所有在硅（Si）和硅绝缘体（SOI）衬底上的微型光伏器件具有更高功率密度”。
核心突破
研究人员报告说：“我们的单片集成微光伏是首次展示的小型边缘计算机的高通量和低成本制造。”使用III-V半导体异构结构来实现高功率密度。高吞吐量和低成本是部署的关键--之前的线束和芯片堆叠受到了上述两者的限制。
制造过程
光伏组件在SOI基板上制造。处理器和内存组件通过电镀铜与焊接凸块上的铜柱连接。单独制造的处理器和存储器“小芯片”在晶圆级键合过程中连接。使用了深层反应离子蚀刻进行分离，以提供低损耗。
图1：（a）封装流程示意图。III-V光伏材料生长在SOI基板上，蚀刻，制造和铜（Cu）互连，形成用于芯片封装的Cu支柱和焊料凸块，晶圆级键合，使用深层Si反应离子蚀刻（RIE）进行芯片分离。（b）连线和焊盘的扫描电子显微镜图像。（c）用瓢虫来说明尘埃器件的尺寸。（d）焊接凸点的扫描电镜图像。（e）小型计算机系统的横切面示意图。
能量来源
研究人员设想，这些器件通过转移激光或高功率LED照明产生的能量实现运行。然后，这些能量可以储存在芯片上的电池中或直接使用。制造出两种类型的光伏电池：大的电池被设计成在1V左右的水平上提供光电流，小电池则满足特定需求。光伏电池的尺寸从45μmx45μm到400μmx200μm不等。
研究人员认为，使用LED而不是激光二极管源会带来一些优势：更大的光斑尺寸可使其对错位有更高的容忍度，而且LED不太可能损害视力。IBM使用双镜头准直和聚焦设置，用高功率LED照亮光伏设备。该团队评论道：“对于生产线或运输中心的情况，在那里可能有自动对准工具，光伏和LED的对准就容易多了。高功率LED和透镜不是小型计算机的一部分。它们是为小型计算机供电和审查的设备的一部分。”
效果对比
光伏结构还能以高达1Mbit/秒的速率与LED源的数据和功率同步传输进行通信。在7.5GHz的频率下，计算20μmx20μm器件的电阻电容（RC）受限的3dB频率带宽(f3dB)。研究人员报告说：“由于体积小，因此电容小，RC受限的f3dB比之前报道的PV作为数据接收器要高得多。”较厚的吸收层约2.3μm，由于通过基座/吸收器区域的扩散时间较长，带宽降低到1.5GHz。硅光伏电池的带宽要低得多（约100倍）。
来自激光二极管和LED的照明通常比来自太阳的照明的波长分布更窄。这就使得可以使用功率转换效率更高的调谐光伏设备进行近带边缘照明。
图2：（a）6°-offcut Si基板上GaAs PV器件的层叠示意图。(b) GaAs PV器件的横截面透射电镜图像。(c) 1mW 830nm光输入时GaAs-on-Si PV的电流-电压特性。
研究人员采用了1.5μm GaAs吸收层结构(图2)，在800nm 10W/cm2光输入的情况下，可以实现约60%的功率转换效率，而在450nm光照下，1.5μm硅基器件的效率仅为25%。将硅厚度增加到9μm，在650nm光照下可实现35%的更高效率。在830nm 1mW的照明下，一个100μmx100μm带抗反射涂层的GaAs基光伏器件实现了40%的功率转换。这接近于在砷化镓基底上生长的结构所能达到的效果(45%)，这也接近理论极限。
III-V材料的生长采用了循环退火的两步工艺，以降低异种外延缺陷密度。虽然1.5μm的吸收层相对较薄，但覆盖的窗口层却比通常的太阳能光伏产品要厚，以减少片层电阻。研究人员报告说，他们还在硅上生产了采用更宽带隙吸收剂材料的光伏结构，如砷化铝镓(AlGaAs)和磷化铟镓(InGaP)，以期满足更高的输出电压需求。
应用前景
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，数据的处理和存储是在靠近使用数据的地方进行，从而减少响应时间并增加带宽。物联网尘埃系统可以在身份验证、工业监控、区块链支付/交易加密、医疗保健、传感和跟踪及国防等领域部署。目前，这类设备需要超过100μW的电源，对于高数据速率的人工智能(AI)和神经形态计算来说，最高可达约100mW。
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