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(yíng)銷經(jīng)理Gobinath Tamil Vanan

由于發(fā)光二極管(LED) 具備能效高、壽命長(zhǎng)、用途廣等優(yōu)勢(shì)，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(chǎng)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(guò)提高發(fā)光效率、熱量管理和整體性能來(lái)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(duì)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(shì)。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(chǎng)。這些改進(jìn)推動(dòng)了對(duì)用于評(píng)估LED特性的測(cè)量系統(tǒng)的需求不斷增長(zhǎng)。

圖1.各種應(yīng)用領(lǐng)域中的LED

LED的主要電氣特性

在開(kāi)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(duì)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(duì)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

圖2.LED的電流-電壓和熱特性

使用光源/測(cè)量裝置進(jìn)行LED特性分析

LED測(cè)試通常使用源/測(cè)量單元(SMU)來(lái)進(jìn)行各種測(cè)試，包括作為精確的IV源和測(cè)量工具來(lái)評(píng)估電氣特性。源/測(cè)量單元還可用作精密偏置源，用于評(píng)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(wú)縫切換，并準(zhǔn)確測(cè)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(shuō)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(zhǎng)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(cè)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(kāi)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(píng)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(cè)試。在對(duì)多個(gè)LED進(jìn)行耗時(shí)測(cè)試時(shí)，這種方法還能有效提高測(cè)試吞吐量。不過(guò)，并行IV測(cè)試雖然能提高測(cè)試吞吐量，但也需要為SMU 提供充足的空間。

挑戰(zhàn)2：測(cè)量?jī)x器性能要求

隨著對(duì)先進(jìn)LED的需求不斷增長(zhǎng)，對(duì)精度的要求也越來(lái)越高，尤其是在低電流、脈沖或瞬態(tài)測(cè)量中。在測(cè)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(cè)量。窄脈沖IV不足會(huì)因自熱而影響正向特性。此外，在脈沖IV或熱測(cè)試期間，有限的瞬態(tài)測(cè)量能力可能會(huì)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(wú)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(cè)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(cè)試時(shí)，或在進(jìn)行脈沖或瞬態(tài)測(cè)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(cè)試軟件開(kāi)發(fā)的角度來(lái)看，整個(gè)測(cè)試設(shè)置的自動(dòng)化進(jìn)一步增加了復(fù)雜性。

解決方案

為了克服LED IV測(cè)試中的多方面挑戰(zhàn)，工程師必須尋找一種能夠應(yīng)對(duì)所有這些挑戰(zhàn)的多功能光源/測(cè)量單元。以下是為L(zhǎng)ED測(cè)試選擇SMU時(shí)需要考慮的三大因素，它們是應(yīng)對(duì)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(cè)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(duì)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(cè)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(wèn)題引起的任何測(cè)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(jiǎn)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(cè)試儀器和系統(tǒng)占地面積。該系統(tǒng)無(wú)需額外的布線和手動(dòng)同步需求，從而解決了在小空間內(nèi)進(jìn)行并行IV測(cè)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(duì)微型LED的需求不斷增長(zhǎng)，制造商在精密IV測(cè)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(zhǎng)的LED市場(chǎng)中獲得競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，為IV測(cè)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(duì)IV表征挑戰(zhàn)的工具，包括光學(xué)測(cè)試中的密度、精度、同步和偏置。多功能、高精度的SMU對(duì)確保LED的可靠性和高性能至關(guān)重要。