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。

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