1 LCoS顯示芯片——一類新型的SoC芯片

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

　　LCoS顯示器是一類新型的反射式顯示器，是半導體VLSI技術和液晶顯示技術巧妙結合高新技術產品，其顯示芯片對角線尺寸為18mm。由于LCoS可利用常規的CMOS技術批量生產，并可隨半導體工藝的發展進一步微型化，同時提高分辨率，LCoS顯示器將具備低功耗、微型尺寸、超輕重量等特點，因此在個人便攜顯示應用方面非常有優勢，特別是功耗遠低于許多有源矩陣液晶顯示器(AMLCD)，而生產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系統(Optical Engine)：一種是直接投影到視網膜上形成放大的虛像，由此產生了個人用虛擬成像平顯示技術;另一種是運用屏幕投影形成放大實像，如圖1所示。LCoS顯示技術導致了一類新型的大屏幕平板顯示器件的誕生。

　　作為LCoS顯示技術核心的關鍵部件的單晶硅背板(LCoS顯示芯片)，是一塊多功能、多結構的片上系統(SoC)，即整個顯示系統集成在一起18mm左右的晶片上。然而，SoC類芯片的設計必須全盤考慮整個系統的各種情況。正是因為如此設計周全，與由分離IC組合的顯示系統相比，SoC類芯片可以在同樣的工藝技術條件下實現更高性能的系統指標。可以預計，以系統芯片方式設計生產的新一代液晶顯示器，其應用前景將非常廣闊。

　　2 LCoS顯示屏

　　LCoS顯示屏通常分為兩大類：透射型和反射型。雖然它們幾何光學原理上截然迥異，但都能有選擇地調制外光源光線而形成圖像。透射型首先在晶片上完成驅動控制電路的設計制作，再用剝離(lift-off)技術或各向異性刻蝕(anisotropic etching)技術分離出管芯，粘附到透明襯底上制成微顯芯片。如此巧妙設計一方面是利用單晶硅的優質電學性能，另一方面則是利用成熟的IC設計制造技術。反射型則是直接在晶片上制作驅動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LCD(Liquid Crystal Display)結構的平板顯示屏。所以常規IP技術可直接用于設計制作硅基液晶顯示屏。

　　圖2是筆者運用Cadence EDA工具，采用0.6μm的n-阱四層金屬CMOS工藝規則設計的反射式LCoS(VGA分辨率，時序彩色化)電路結構圖。其電路可劃分為行掃描驅動器，列數據輸入驅動器(包含DAC電路)和顯示驅動矩陣(有源NMOS矩陣)。

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

　　在行掃描驅動器中，行掃描信號通過另一組移位寄存器作用，產生與數字視頻信號同步的逐行掃描信號。

　　有源顯示驅動矩陣的每一個像給包括像素開關(NMOS晶體管)、存儲電容和在它們上面的鋁反射電極。NMOS晶體管控制列數據線對液晶像素的充電，而存儲電容中的充電電荷建立了相對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，當一定量的電荷積聚在像素上時，液晶將按所施加的電場取向。液晶分子的再取向，導致液晶電容的變化，這就改變了加在像素的電壓。為了解決這個問題，需要用較大的存儲電容。

　　像素的截面如圖3所示，采用了四層金屬，分別用于掃描線、數據線、避光層和鋁反射鏡面電極。掃描線控制NMOS晶體管(像素開關)的柵極，當NMOS導通時數據線上的信號驅動到像素上。晶體管漏極，存儲電容和反射鏡面電極是電導通的。硅背板頂部制作1μm厚的液晶襯墊，用以確定液晶盒間隙。

　　整個硅背板都是在常規IC芯片生產線上完成的。在加工好的LCoS顯示芯片上，覆蓋取向層，涂上密封膠，粘合附著ITO電極的玻璃蓋板，最后向這個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。采用現代IC制造技術生產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。