表征微型和超微型LED的主要考量因素

作者：是德科技产品营销经理Gobinath Tamil Vanan

由于发光二极管(LED) 具备能效高、寿命长、用途广等优势，因此在各种应用中广受欢迎，正如图1所示，可应用在家庭、办公室、汽车和电子显示屏等应用场景中。LED技术不断进步，以满足不断发展的需求。这种进步包括集成先进功能，如智能照明与物联网（IoT）技术，以及通过提高发光效率、热量管理和整体性能来提高LED照明或指示灯的效率。此外，显示技术的不断发展旨在提高LED显示器（如由数千个LED组成的迷你和微型LED）的对比度、能效和分辨率。

与有机发光二极管（OLED）和液晶显示器（LCD）技术相比，微型LED在亮度、效率以及集成传感器等附加功能方面更具优势。然而，由于其生产成本高、技术复杂，其应用主要局限于增强现实（AR）/虚拟现实（VR）显示器、汽车照明和透明显示器等利基市场。这些改进推动了对用于评估LED特性的测量系统的需求不断增长。

图1.各种应用领域中的LED

LED的主要电气特性

在开发或制造LED时，了解其电气、光学和光-电流-电压(LIV)特性对确保最佳性能和功能至关重要。了解电气特性可确保LED在规定的电压和电流范围内工作，这对电路设计至关重要。反之，光学特性则有助于深入了解发光的质量，包括亮度、色彩精度和分布。LIV特性为了解光输出、电流和电压之间的关系提供了宝贵的信息，有助于优化操作参数以提高能效。表1列出了LED的电气特性；图2显示了IV特性和热特性。

表1.LED的主要电气特性

图2.LED的电流-电压和热特性

使用光源/测量装置进行LED特性分析

LED测试通常使用源/测量单元(SMU)来进行各种测试，包括作为精确的IV源和测量工具来评估电气特性。源/测量单元还可用作精密偏置源，用于评估与光学仪器同步的光学和LIV特性。SMU是一种多功能仪器，集电流源、电压源、电流表和电压表的功能于一身。SMU可在这些功能之间无缝切换，并准确测量电流和电压输出。

内部反馈电路使SMU即使在负载条件发生意外变化时也能保持稳定性和准确性。这种可靠性使SMU成为表征LED等半导体器件的首选工具。图3展示了一个典型的设置，说明了SMU如何与光学仪器同步，作为精密偏置源进行光学和光电流-电压特性分析。

图3.典型的LED表征设置

然而，随着LED技术的进步以满足日益增长的需求，LED设备和应用（如迷你和微型LED）的发展需要SMU能够满足日益严格的要求。

挑战

以下是工程师为实现精确测试必须克服的主要挑战。主要挑战包括空间和密度限制、精度要求和系统开发复杂性。

挑战1：SMU的数量和空间需求不断增加

为了有效评估每个由数千个LED组成的微型或小型LED，需要大量的SMU通道和充足的空间，因此需要进行并行IV测试。在对多个LED进行耗时测试时，这种方法还能有效提高测试吞吐量。不过，并行IV测试虽然能提高测试吞吐量，但也需要为SMU 提供充足的空间。

挑战2：测量仪器性能要求

随着对先进LED的需求不断增长，对精度的要求也越来越高，尤其是在低电流、脉冲或瞬态测量中。在测试小电流、低反向电流时，精确的灵敏度至关重要，以防止噪声干扰这些测量。窄脉冲IV不足会因自热而影响正向特性。此外，在脉冲IV或热测试期间，有限的瞬态测量能力可能会妨碍捕捉电流或电压瞬态。有些SMU集成了内置脉冲发生器和数字转换器。然而，它们的性能可能无法满足所需要求。在这种情况下，就必须使用外部脉冲发生器或数字转换器。

挑战3：测试序列和物理连接的复杂性不断增加

在进行同步光学测试时，或在进行脉冲或瞬态测量时，内部或外部脉冲发生器和数字转换器之间需要在光学仪器和SMU之间实现精确同步。这些要求导致仪器控制和布线复杂性增加。随着SMU通道数量的增加，精确同步变得更加重要。从测试软件开发的角度来看，整个测试设置的自动化进一步增加了复杂性。

解决方案

为了克服LED IV测试中的多方面挑战，工程师必须寻找一种能够应对所有这些挑战的多功能光源/测量单元。以下是为LED测试选择SMU时需要考虑的三大因素，它们是应对每项挑战的关键。

解决方案1： 采用高密度紧凑型SMU

凭借高通道密度的SMU外形，工程师可以节省宝贵的机架空间，并最大限度地减少测试系统的占地面积。外形尺寸应侧重于通道数量以及配置SMU通道类型和规格的灵活性。一些灵活的SMU允许任何混合模块配置，以实现灵活的可扩展性。

解决方案2： 使用高精度SMU

有些SMU设计具有超高精度功能，可在从反向偏压到正向偏压的整个LED偏置范围内进行精确的IV特性分析。特别是对于大功率LED，SMU的窄脉冲功能可在进行IV特性分析的同时最大限度地减少自热。

在热测试中，速度更快的数字化仪和灵活的触发系统可以捕捉热引起的瞬态，从根本上消除器件自热或噪声问题引起的任何测量误差。图4是正向和反向偏置电压的IV曲线扫描示例。图5显示了脉冲瞬态响应方法，以最大限度地减少器件自热效应。

图4.带有正向和反向偏置的LED的IV曲线

图5.利用脉冲IV特性最大限度地减少器件自热

解决方案#3：采用带有智能触发系统的SMU

带有智能触发系统的单箱解决方案可简化仪器控制，并使每个SMU和外部光学仪器的布线实现同步。集成了脉冲发生器和数字转换器功能的一体化SMU可有效减少所需的测试仪器和系统占地面积。该系统无需额外的布线和手动同步需求，从而解决了在小空间内进行并行IV测试的难题。

结论

Micro-LED技术不断进步，但在成为主流技术之前仍面临着需要解决的重大障碍。随着各种应用对微型LED的需求不断增长，制造商在精密IV测试解决方案方面面临着多重挑战。要克服这些挑战并在不断增长的LED市场中获得竞争优势，为IV测试解决方案选择正确的SMU非常重要。合适的SMU可以成为应对IV表征挑战的工具，包括光学测试中的密度、精度、同步和偏置。多功能、高精度的SMU对确保LED的可靠性和高性能至关重要。