表征微型和超微型 LED 的主要考量因素
2024-08-29 22:07:30 Gobinath Tamil Vanan，是德科技產品營銷經理由于發光二極管 (LED) 具備能效高、壽命長、用途廣等優勢，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，以滿足不斷發展的需求。這種進步包括集成先進功能，如智能照明與物聯網（IoT）技術，以及通過提高發光效率、熱量管理和整體性能來提高 LED 照明或指示燈的效率。此外，顯示技術的不斷發展旨在提高 LED 顯示器（如由數千個 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勢。然而，由于其生產成本高、技術復雜，其應用主要局限于增強現實（AR）/虛擬現實（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 在規定的電壓和電流范圍內工作，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光的質量，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，有助于優化操作參數以提高能效。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。
內部反饋電路使 SMU 即使在負載條件發生意外變化時也能保持穩定性和準確性。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）的發展需要 SMU 能夠滿足日益嚴格的要求。
挑戰
以下是工程師為實現精確測試必須克服的主要挑戰。主要挑戰包括空間和密度限制、精度要求和系統開發復雜性。
挑戰 1：SMU的數量和空間需求不斷增加
為了有效評估每個由數千個 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 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，有限的瞬態測量能力可能會妨礙捕捉電流或電壓瞬態。有些 SMU 集成了內置脈沖發生器和數字轉換器。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生器或數字轉換器。
挑戰 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測量時，內部或外部脈沖發生器和數字轉換器之間需要在光學儀器和 SMU 之間實現精確同步。這些要求導致儀器控制和布線復雜性增加。隨著 SMU 通道數量的增加，精確同步變得更加重要。從測試軟件開發的角度來看，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，工程師必須尋找一種能夠應對所有這些挑戰的多功能光源/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，工程師可以節省寶貴的機架空間，并最大限度地減少測試系統的占地面積。外形尺寸應側重于通道數量以及配置 SMU 通道類型和規格的靈活性。一些靈活的 SMU 允許任何混合模塊配置，以實現靈活的可擴展性。
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，速度更快的數字化儀和靈活的觸發系統可以捕捉熱引起的瞬態，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：采用帶有智能觸發系統的 SMU
帶有智能觸發系統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同步。集成了脈沖發生器和數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占地面積。該系統無需額外的布線和手動同步需求，從而解決了在小空間內進行并行 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。要克服這些挑戰并在不斷增長的 LED 市場中獲得競爭優勢，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。
關于作者
Gobinath Tamil Vanan，是德科技產品營銷經理
