LCoS(硅基液晶)顯示屏設(shè)計(jì)與應(yīng)用

　　1 LCoS顯示芯片——一類新型的SoC芯片

　　提到液晶顯示器，人們就會(huì)聯(lián)想到筆記本電腦用液晶顯示器，或是大屏幕等離子顯示器。新出現(xiàn)的令人振奮的LCoS是制作在單晶硅上的LCD顯示技術(shù)。

　　LCoS顯示器是一類新型的反射式顯示器，是半導(dǎo)體VLSI技術(shù)和液晶顯示技術(shù)巧妙結(jié)合高新技術(shù)產(chǎn)品，其顯示芯片對(duì)角線尺寸為18mm。由于LCoS可利用常規(guī)的CMOS技術(shù)批量生產(chǎn)，并可隨半導(dǎo)體工藝的發(fā)展進(jìn)一步微型化，同時(shí)提高分辨率，LCoS顯示器將具備低功耗、微型尺寸、超輕重量等特點(diǎn)，因此在個(gè)人便攜顯示應(yīng)用方面非常有優(yōu)勢(shì)，特別是功耗遠(yuǎn)低于許多有源矩陣液晶顯示器(AMLCD)，而生產(chǎn)成本可望與陰極射線管(CRT)相比擬。

　　盡管LCoS顯示屏通常只有指甲大小，相應(yīng)的像素也就非常小，以至不利于肉眼直接分辨，但LCoS顯示器都配備有各式各樣的用于放大圖像光學(xué)系統(tǒng)(Optical Engine)：一種是直接投影到視網(wǎng)膜上形成放大的虛像，由此產(chǎn)生了個(gè)人用虛擬成像平顯示技術(shù);另一種是運(yùn)用屏幕投影形成放大實(shí)像，如圖1所示。LCoS顯示技術(shù)導(dǎo)致了一類新型的大屏幕平板顯示器件的誕生。

　　作為L(zhǎng)CoS顯示技術(shù)核心的關(guān)鍵部件的單晶硅背板(LCoS顯示芯片)，是一塊多功能、多結(jié)構(gòu)的片上系統(tǒng)(SoC)，即整個(gè)顯示系統(tǒng)集成在一起18mm左右的晶片上。然而，SoC類芯片的設(shè)計(jì)必須全盤考慮整個(gè)系統(tǒng)的各種情況。正是因?yàn)槿绱嗽O(shè)計(jì)周全，與由分離IC組合的顯示系統(tǒng)相比，SoC類芯片可以在同樣的工藝技術(shù)條件下實(shí)現(xiàn)更高性能的系統(tǒng)指標(biāo)。可以預(yù)計(jì)，以系統(tǒng)芯片方式設(shè)計(jì)生產(chǎn)的新一代液晶顯示器，其應(yīng)用前景將非常廣闊。

　　2 LCoS顯示屏

　　LCoS顯示屏通常分為兩大類：透射型和反射型。雖然它們幾何光學(xué)原理上截然迥異，但都能有選擇地調(diào)制外光源光線而形成圖像。透射型首先在晶片上完成驅(qū)動(dòng)控制電路的設(shè)計(jì)制作，再用剝離(lift-off)技術(shù)或各向異性刻蝕(anisotropic etching)技術(shù)分離出管芯，粘附到透明襯底上制成微顯芯片。如此巧妙設(shè)計(jì)一方面是利用單晶硅的優(yōu)質(zhì)電學(xué)性能，另一方面則是利用成熟的IC設(shè)計(jì)制造技術(shù)。反射型則是直接在晶片上制作驅(qū)動(dòng)電路和顯示矩陣電路，然后以此為基底封裝液晶材料形成類似傳統(tǒng)LCD(Liquid Crystal Display)結(jié)構(gòu)的平板顯示屏。所以常規(guī)IP技術(shù)可直接用于設(shè)計(jì)制作硅基液晶顯示屏。

　　圖2是筆者運(yùn)用Cadence EDA工具，采用0.6μm的n-阱四層金屬CMOS工藝規(guī)則設(shè)計(jì)的反射式LCoS(VGA分辨率，時(shí)序彩色化)電路結(jié)構(gòu)圖。其電路可劃分為行掃描驅(qū)動(dòng)器，列數(shù)據(jù)輸入驅(qū)動(dòng)器(包含DAC電路)和顯示驅(qū)動(dòng)矩陣(有源NMOS矩陣)。

　　在列數(shù)據(jù)輸入驅(qū)動(dòng)器中，串行輸入的多位數(shù)字視頻信號(hào)通過移位寄存器的作用，依次存入數(shù)字鎖存器，然后在同一讀出信號(hào)作用下，配合行掃描信號(hào)，同時(shí)輸入到各列的數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(DAC)，之后輸出模擬電壓信號(hào)作用到像素，因此一幀圖像將被一次一行地傳送到所有列。

　　在行掃描驅(qū)動(dòng)器中，行掃描信號(hào)通過另一組移位寄存器作用，產(chǎn)生與數(shù)字視頻信號(hào)同步的逐行掃描信號(hào)。

　　有源顯示驅(qū)動(dòng)矩陣的每一個(gè)像給包括像素開關(guān)(NMOS晶體管)、存儲(chǔ)電容和在它們上面的鋁反射電極。NMOS晶體管控制列數(shù)據(jù)線對(duì)液晶像素的充電，而存儲(chǔ)電容中的充電電荷建立了相對(duì)于控制電極的電壓差。由于液晶材料本身也有電容，并沿分子的取向充電，當(dāng)一定量的電荷積聚在像素上時(shí)，液晶將按所施加的電場(chǎng)取向。液晶分子的再取向，導(dǎo)致液晶電容的變化，這就改變了加在像素的電壓。為了解決這個(gè)問題，需要用較大的存儲(chǔ)電容。

　　像素的截面如圖3所示，采用了四層金屬，分別用于掃描線、數(shù)據(jù)線、避光層和鋁反射鏡面電極。掃描線控制NMOS晶體管(像素開關(guān))的柵極，當(dāng)NMOS導(dǎo)通時(shí)數(shù)據(jù)線上的信號(hào)驅(qū)動(dòng)到像素上。晶體管漏極，存儲(chǔ)電容和反射鏡面電極是電導(dǎo)通的。硅背板頂部制作1μm厚的液晶襯墊，用以確定液晶盒間隙。

　　整個(gè)硅背板都是在常規(guī)IC芯片生產(chǎn)線上完成的。在加工好的LCoS顯示芯片上，覆蓋取向?qū)樱可厦芊饽z，粘合附著ITO電極的玻璃蓋板，最后向這個(gè)液晶盒灌注液晶材料就形成了LCoS顯示器。盡管LCoS顯示芯片的面積比較大，但絕大部分是像素陣列，晶體管密度較低，故可得到高的成品率。采用現(xiàn)代IC制造技術(shù)生產(chǎn)LCoS顯示器可謂駕輕就熟，也是制造高分辨率LCD顯示器的一條降低成本途徑。