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(yīng)用中廣受歡迎，正如圖1所示，可應(yīng)用在家庭、辦公室、汽車和電子顯示屏等應(yīng)用場景中。LED 技術(shù)不斷進(jìn)步，以滿足不斷發(fā)展的需求。這種進(jìn)步包括集成先進(jìn)功能，如智能照明與物聯(lián)網(wǎng)（IoT）技術(shù)，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(shù)的不斷發(fā)展旨在提高 LED 顯示器（如由數(shù)千個(gè) LED 組成的迷你和微型 LED）的對比度、能效和分辨率。

與有機(jī)發(fā)光二極管（OLED）和液晶顯示器（LCD）技術(shù)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(shù)復(fù)雜，其應(yīng)用主要局限于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）/虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）顯示器、汽車照明和透明顯示器等利基市場。這些改進(jìn)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(yīng)用領(lǐng)域中的 LED

LED 的主要電氣特性

在開發(fā)或制造 LED 時(shí)，了解其電氣、光學(xué)和光-電流-電壓 (LIV) 特性對確保最佳性能和功能至關(guān)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(shè)計(jì)至關(guān)重要。反之，光學(xué)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(guān)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

VF：正向電壓 正向電壓是打開 LED 所需的電壓。評估時(shí)，施加 IF（正向電流）并測量電壓 VF。

IR : 反向電流 反向電流是指反向偏壓下的泄漏電流。該電流通常較小，例如小于 1 μA；然而，這取決于 LED 的類型。為了進(jìn)行評估，需施加 VR （反向電壓）并測量電流 IR 。

IV 曲線 正向和反向偏壓下的 IV 曲線表明了在不同操作條件下的行為。評估時(shí)，可掃描電壓（或電流）并測量電流（或電壓）。在大電流下進(jìn)行正向特性分析時(shí)，與直流掃描不同，脈沖掃描可防止自熱效應(yīng)。

熱特性 熱管理非常重要，因?yàn)樗兄跍p緩解LED p-n 結(jié)產(chǎn)生的熱量。為了準(zhǔn)確描述這種熱行為，需要施加長脈沖電流并測量瞬態(tài)電壓。

圖 2.LED 的電流-電壓和熱特性

使用光源/測量裝置進(jìn)行 LED 特性分析

LED 測試通常使用源/測量單元 (SMU) 來進(jìn)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(xué)儀器同步的光學(xué)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(zhǔn)確測量電流和電壓輸出。

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

圖 3.典型的 LED 表征設(shè)置

然而，隨著 LED 技術(shù)的進(jìn)步以滿足日益增長的需求，LED 設(shè)備和應(yīng)用（如迷你和微型 LED）的發(fā)展需要 SMU 能夠滿足日益嚴(yán)格的要求。

挑戰(zhàn)

以下是工程師為實(shí)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(fù)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(gè)由數(shù)千個(gè) 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(jìn)行并行 IV 測試。在對多個(gè) LED 進(jìn)行耗時(shí)測試時(shí)，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(jìn) 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(shí)，精確的靈敏度至關(guān)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(fù)雜性不斷增加

在進(jìn)行同步光學(xué)測試時(shí)，或在進(jìn)行脈沖或瞬態(tài)測量時(shí)，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(xué)儀器和 SMU 之間實(shí)現(xiàn)精確同步。這些要求導(dǎo)致儀器控制和布線復(fù)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(gè)測試設(shè)置的自動化進(jìn)一步增加了復(fù)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(yīng)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(shí)需要考慮的三大因素，它們是應(yīng)對每項(xiàng)挑戰(zhàn)的關(guān)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(jī)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(yīng)側(cè)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(shí)現(xiàn)靈活的可擴(kuò)展性。

解決方案 2： 使用高精度 SMU

有些 SMU 設(shè)計(jì)具有超高精度功能，可在從反向偏壓到正向偏壓的整個(gè) LED 偏置范圍內(nèi)進(jìn)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(jìn)行 IV 特性分析的同時(shí)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(yīng)方法，以最大限度地減少器件自熱效應(yīng)。

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(gè) SMU 和外部光學(xué)儀器的布線實(shí)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(jìn)行并行 IV 測試的難題。

結(jié)論

Micro-LED 技術(shù)不斷進(jìn)步，但在成為主流技術(shù)之前仍面臨著需要解決的重大障礙。隨著各種應(yīng)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(yīng)對 IV 表征挑戰(zhàn)的工具，包括光學(xué)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(guān)重要。

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