表征微型和超微型LED的主要考量因素

作者：是德科技產(chǎn)品營銷經(jīng)理Gobinath Tamil Vanan

由于發(fā)光二極管(LED) 具備能效高、壽命長、用途廣等優(yōu)勢，因此在各種應用中廣受歡迎，正如圖1所示，可應用在家庭、辦公室、汽車和電子顯示屏等應用場景中。LED技術不斷進步，以滿足不斷發(fā)展的需求。這種進步包括集成先進功能，如智能照明與物聯(lián)網(wǎng)（IoT）技術，以及通過提高發(fā)光效率、熱量管理和整體性能來提高LED照明或指示燈的效率。此外，顯示技術的不斷發(fā)展旨在提高LED顯示器（如由數(shù)千個LED組成的迷你和微型LED）的對比度、能效和分辨率。

與有機發(fā)光二極管（OLED）和液晶顯示器（LCD）技術相比，微型LED在亮度、效率以及集成傳感器等附加功能方面更具優(yōu)勢。然而，由于其生產(chǎn)成本高、技術復雜，其應用主要局限于增強現(xiàn)實（AR）/虛擬現(xiàn)實（VR）顯示器、汽車照明和透明顯示器等利基市場。這些改進推動了對用于評估LED特性的測量系統(tǒng)的需求不斷增長。

圖1.各種應用領域中的LED

LED的主要電氣特性

在開發(fā)或制造LED時，了解其電氣、光學和光-電流-電壓(LIV)特性對確保最佳性能和功能至關重要。了解電氣特性可確保LED在規(guī)定的電壓和電流范圍內(nèi)工作，這對電路設計至關重要。反之，光學特性則有助于深入了解發(fā)光的質(zhì)量，包括亮度、色彩精度和分布。LIV特性為了解光輸出、電流和電壓之間的關系提供了寶貴的信息，有助于優(yōu)化操作參數(shù)以提高能效。表1列出了LED的電氣特性；圖2顯示了IV特性和熱特性。

表1.LED的主要電氣特性

圖2.LED的電流-電壓和熱特性

使用光源/測量裝置進行LED特性分析

LED測試通常使用源/測量單元(SMU)來進行各種測試，包括作為精確的IV源和測量工具來評估電氣特性。源/測量單元還可用作精密偏置源，用于評估與光學儀器同步的光學和LIV特性。SMU是一種多功能儀器，集電流源、電壓源、電流表和電壓表的功能于一身。SMU可在這些功能之間無縫切換，并準確測量電流和電壓輸出。

內(nèi)部反饋電路使SMU即使在負載條件發(fā)生意外變化時也能保持穩(wěn)定性和準確性。這種可靠性使SMU成為表征LED等半導體器件的首選工具。圖3展示了一個典型的設置，說明了SMU如何與光學儀器同步，作為精密偏置源進行光學和光電流-電壓特性分析。

圖3.典型的LED表征設置

然而，隨著LED技術的進步以滿足日益增長的需求，LED設備和應用（如迷你和微型LED）的發(fā)展需要SMU能夠滿足日益嚴格的要求。

挑戰(zhàn)

以下是工程師為實現(xiàn)精確測試必須克服的主要挑戰(zhàn)。主要挑戰(zhàn)包括空間和密度限制、精度要求和系統(tǒng)開發(fā)復雜性。

挑戰(zhàn)1：SMU的數(shù)量和空間需求不斷增加

為了有效評估每個由數(shù)千個LED組成的微型或小型LED，需要大量的SMU通道和充足的空間，因此需要進行并行IV測試。在對多個LED進行耗時測試時，這種方法還能有效提高測試吞吐量。不過，并行IV測試雖然能提高測試吞吐量，但也需要為SMU 提供充足的空間。

挑戰(zhàn)2：測量儀器性能要求

隨著對先進LED的需求不斷增長，對精度的要求也越來越高，尤其是在低電流、脈沖或瞬態(tài)測量中。在測試小電流、低反向電流時，精確的靈敏度至關重要，以防止噪聲干擾這些測量。窄脈沖IV不足會因自熱而影響正向特性。此外，在脈沖IV或熱測試期間，有限的瞬態(tài)測量能力可能會妨礙捕捉電流或電壓瞬態(tài)。有些SMU集成了內(nèi)置脈沖發(fā)生器和數(shù)字轉(zhuǎn)換器。然而，它們的性能可能無法滿足所需要求。在這種情況下，就必須使用外部脈沖發(fā)生器或數(shù)字轉(zhuǎn)換器。

挑戰(zhàn)3：測試序列和物理連接的復雜性不斷增加

在進行同步光學測試時，或在進行脈沖或瞬態(tài)測量時，內(nèi)部或外部脈沖發(fā)生器和數(shù)字轉(zhuǎn)換器之間需要在光學儀器和SMU之間實現(xiàn)精確同步。這些要求導致儀器控制和布線復雜性增加。隨著SMU通道數(shù)量的增加，精確同步變得更加重要。從測試軟件開發(fā)的角度來看，整個測試設置的自動化進一步增加了復雜性。

解決方案

為了克服LED IV測試中的多方面挑戰(zhàn)，工程師必須尋找一種能夠應對所有這些挑戰(zhàn)的多功能光源/測量單元。以下是為LED測試選擇SMU時需要考慮的三大因素，它們是應對每項挑戰(zhàn)的關鍵。

解決方案1： 采用高密度緊湊型SMU

憑借高通道密度的SMU外形，工程師可以節(jié)省寶貴的機架空間，并最大限度地減少測試系統(tǒng)的占地面積。外形尺寸應側重于通道數(shù)量以及配置SMU通道類型和規(guī)格的靈活性。一些靈活的SMU允許任何混合模塊配置，以實現(xiàn)靈活的可擴展性。

解決方案2： 使用高精度SMU

有些SMU設計具有超高精度功能，可在從反向偏壓到正向偏壓的整個LED偏置范圍內(nèi)進行精確的IV特性分析。特別是對于大功率LED，SMU的窄脈沖功能可在進行IV特性分析的同時最大限度地減少自熱。

在熱測試中，速度更快的數(shù)字化儀和靈活的觸發(fā)系統(tǒng)可以捕捉熱引起的瞬態(tài)，從根本上消除器件自熱或噪聲問題引起的任何測量誤差。圖4是正向和反向偏置電壓的IV曲線掃描示例。圖5顯示了脈沖瞬態(tài)響應方法，以最大限度地減少器件自熱效應。

圖4.帶有正向和反向偏置的LED的IV曲線

圖5.利用脈沖IV特性最大限度地減少器件自熱

解決方案#3：采用帶有智能觸發(fā)系統(tǒng)的SMU

帶有智能觸發(fā)系統(tǒng)的單箱解決方案可簡化儀器控制，并使每個SMU和外部光學儀器的布線實現(xiàn)同步。集成了脈沖發(fā)生器和數(shù)字轉(zhuǎn)換器功能的一體化SMU可有效減少所需的測試儀器和系統(tǒng)占地面積。該系統(tǒng)無需額外的布線和手動同步需求，從而解決了在小空間內(nèi)進行并行IV測試的難題。

結論

Micro-LED技術不斷進步，但在成為主流技術之前仍面臨著需要解決的重大障礙。隨著各種應用對微型LED的需求不斷增長，制造商在精密IV測試解決方案方面面臨著多重挑戰(zhàn)。要克服這些挑戰(zhàn)并在不斷增長的LED市場中獲得競爭優(yōu)勢，為IV測試解決方案選擇正確的SMU非常重要。合適的SMU可以成為應對IV表征挑戰(zhàn)的工具，包括光學測試中的密度、精度、同步和偏置。多功能、高精度的SMU對確保LED的可靠性和高性能至關重要。