表征微型和超微型LED的主要考量因素

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。