1　引言

近年来，无线技术、便携式设备、沉浸式应用的拓展升级推动了近眼显示技术的发展。尤其在虚拟现实（VR）和增强现实（AR）领域，用户希望拥有尺寸更小、清晰度更高、刷新速度更快、功耗更低的设备来实现海量信息的传达，得到身临其境的体验。传统显示器通常是基于非晶硅、多晶硅薄膜场效应晶体管（TFT）工艺的^［1-2］，像素密度一般不高于1000 PPI（PPI表示每英寸上的像素，1 inch=2.54 cm）。随着互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺技术的精进，出现了以单晶硅为衬底的硅基微显示器，在单晶硅CMOS工艺条件下，单像素点距可达10 μm以下，像素密度提升至5000 PPI以上，可以制造出尺寸更小的显示器，制造良率也大幅提升。许多研究机构和商业公司在硅基微显示技术上进行了深度研发，部分产品已投入市场。

硅基微显示器区别于其他显示器的特征主要表现在：硅基微显示器以单晶硅为基底，背板中集成了CMOS工艺制作的驱动电路，集成度更高，以顶发射为主。由于其自身尺寸很小，一般需要光学系统产生大视场显示效果^［3］，形成近眼显示器。目前硅基微显示器主要包括数字微镜器件（DMD）、硅基液晶（LCoS）、硅基有机发光（OLED on silicon）、硅基二极管发光（硅基micro-LED）4种形态。本文简单回顾了DMD和LCoS的发展，重点阐述硅基OLED和硅基micro-LED微显示器的特点和技术。

2　DMD技术原理和发展现状

2.1　DMD光开关

1987年，TI公司的Hornbeck发明了DMD，并且在1993年提出了基于静态存储器（SRAM）的电视投影系统^［4］。DMD是一种MEMS组件，通过CMOS工艺制作于像素电路上。像素电路的上方包含了微镜阵列，通常是铝镜，如图1所示。每个微镜可以转动两个方向，一个方向，光线反射到吸收平面，另一个方向，光线经透镜投射出去。当光开关所连接的存储器单元处于“1”状态时，微镜转到投射角度；当光开关所连接的存储器单元处于“0”状态时，微镜转到吸收角度^［5］。目前DMD已经进入成熟稳定量产状态，分辨率达4K，主要应用于商业投影仪、3D打印等。

图 1. DMD光开关结构

Fig. 1. DMD optical switch structure

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2.2　DMD灰度技术

DMD像素的灰度通过二进制数字脉宽调制（B-PWM）生成，如图2所示，通过不同的开关时间延迟，形成不同灰度。然而，传统B-PWM方法形成的像素亮度在一帧扫描期间不固定，因此观察者目光在同一图像中移动时会有闪烁感觉或者观察到类似于等高线的伪轮廓线现象。TI公司对此进行了改进，通过比特分割技术减弱了这种效应，将权值较大的比特扫描时间分割成小的子场后交错显示。

图 2. B-PWM原理图及子场扫描方式

Fig. 2. B-PWM principal and subfield scanning method

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2.3　DMD全彩技术

DMD全彩技术分为单片DMD和三片DMD方案。单片DMD方案需要有一个色轮，以一定频率转动色轮，同时RGB数据被转换为二进制数值输入，依次投射出红、绿、蓝光，当DMD设备高速翻转时，三色叠加，人眼将看到彩色图像^［6］。在三片DMD方案中，三片DMD反射三种颜色的光，融合后生成彩色图像。单片式DMD体积较小，适合家庭的数字光处理（DLP）技术投影仪等小型显示场景，而三片式DMD拥有更高的亮度，适合影院DLP投影仪或者大型高亮度的场景。TI公司曾推出尺寸为0.2 inch的单片式小型DMD芯片，用于汽车四周警告显示；也推出了分辨率为4K的高亮度DMD，采用三片式设计，用于激光电视和投影仪。

3　LCoS技术原理和发展现状

3.1　结构和驱动方式

LCoS是液晶显示器（LCD）与CMOS集成电路结合的反射型显示技术，具有结构紧凑、稳定可靠、分辨率高等特点，被广泛应用于VR/AR近眼显示系统中。LCoS器件结构如图3所示，液晶器件制作于单晶硅基底上，通过反射光形成图像。硅基底中集成CMOS驱动电路，表面通过化学机械抛光（CMP）等工艺形成像素电极，在电极上制作定向层，盖上覆有ITO电极的玻璃，灌入液晶形成LCoS^［7］。LCoS主要有单片式和三片式2种：单片式LCoS通过彩色过滤层或者场序彩色方式得到彩色图像，成本相对较低，但要求更快的响应速度；三片式LCoS利用不同颜色的光源叠加形成彩色图像，优点在于光学效率比较高，图像质量更高。

图 3. LCoS器件结构

Fig. 3. LCoS device structure

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LCoS驱动有模拟方式和数字方式。模拟驱动利用调制像素上的电压幅度来实现像素灰阶显示^［8］。数字驱动一般采用具有SRAM结构的像素电路，通过调制像素的开关时间来实现灰阶控制，也称为脉宽调制（PWM）方法。同时LCoS也有多种工作方式，其中垂直配向（VA）在对比度、亮度、驱动电压、响应速度方面拥有综合优势，是LCoS的主要工作模式^［9］。而铁电液晶（FLC）的响应速度较快（时间通常为100 μs以下），更适合于数字信号驱动，通过PWM来决定像素灰度^［10］。

3.2　国内外发展现状

对LCoS微显示器的研究起步于1973年，美国Hughes Aircraft公司^［11］开发出世界上第一款LCoS器件。为便于评估LCoS器件的优劣，2001年，Wilson^［12］提出以反射率、对比度、均匀性评估LCoS性能的测试标准。经过多年发展，LCoS技术已经较为成熟。美国Syndiant公司^［13-14］发布尺寸为0.55 inch的数字驱动4K LCoS，采用图像压缩技术，在提升分辨率的同时减少了数据传输量。OmniVision公司^［15］利用白光数字成像技术制造尺寸为0.39 inch的1080P LCoS产品，其集成了驱动和存储器功能。2019年，美国KOPIN公司推出一款尺寸为0.94 inch、分辨率为2K×2K的LCoS，其应用于微显示器和空间光调制器。

小尺寸、高像素、低延迟及低成本一直是LCoS微显示器研究的方向。韩国RAONTECH公司^［16］提出一种用于高分辨率场序驱动彩色LCoS微显示器的像素驱动电路，像素密度达5900 PPI。美国Compound Photonics公司发布了数字寻址LCoS微显示器，基于NOVA DRIVE技术^［17］实现了1 ms的超低延迟，满足AR/混合现实（MR）应用需要。

国内对LCoS微显示器的研究始于1998年，南开大学^［8］研制出国内首枚LCoS显示芯片。之后随着研究的不断深入，LCoS各方面性能有了极大提升。东南大学夏军团队^［18］提出一种LCoS显示芯片设计方法，采用0.18 μm尺寸模拟像素驱动、高速数据接口及彩色时序显示，分辨率达1080P，刷新帧率为360 Hz。Huang等^［19］提出一种液晶分布不均匀的结构，该结构能够抑制LCoS分辨率提高、像素间距减小带来的边缘场效应。台湾Himax公司^［20］提出Frontlit LCoS面板，减小了光学引擎尺寸，能实现单眼4K的图像质量。Yang等^［21］制作的像素密度为4000 PPI的1.2 inch LCoS微显示器和像素密度为7000 PPI的0.7 inch LCoS-SLM在降低延迟、放大视场和抑制图像斑点效应方面发挥了关键作用。2020年，Fan-Chiang团队^［22］提出用于AR显示的模拟LCoS空间光调制器，通过一种新的multiconstraints angular spectrum algorithm（MASA）加快计算速度，从而改善图像质量。

3.3　技术比较

LCoS和DMD都采用了反射方式，开口率很高（90%以上）、像素面积小、驱动电路简单，更容易实现高分辨率。DMD采用数字调光方式，比模拟幅值调光方式拥有更低的信号噪声和更高的灰度精度，更易于实现全数字系统，翻转次数达10⁹以上，可连续工作20年。但是DMD需要平行光源来反射图像，导致系统尺寸较大，较难应用于近眼显示系统，主要用于DLP投影机。LCoS在强光照射下容易产生形变，造成画面不均匀，同时强光在LCoS芯片内来回2次，相当于将LCoS的液晶层厚度减半，强光作用也会降低液晶的寿命。对于光学系统而言，反射式工作方式使分色合色及偏振系统较为复杂，不利于减小系统体积。此外，LCoS和DMD色彩还原能力不足，色轮还会带来彩虹效应。

相比之下，主动发光的硅基OLED和硅基LED拥有更加优秀的显示特性，例如：OLED色彩丰富、对比度高、驱动电压低、响应速度快、功耗低，具有非常优秀的用户体验；LED发光效率高、器件稳定，适合于对亮度要求更高的场合；两者都是全固态型器件，抗震性能好，工作温度范围宽，适合于**和特殊应用，都属于自发光器件，不需要背光源，有利于减小系统体积，尤其适用于近眼显示系统，目前受到行业极大关注，是近眼显示系统中非常有前景的技术。

4　OLED技术原理和发展现状

4.1　顶发射器件结构

与传统基于TFT背板的AMOLED电路不同，硅基OLED微显示器采用顶发射方式，光线通过顶部透明电极层射出，增加了发光效率，基本结构^［23］如图4所示。单晶硅衬底集成了驱动电路，硅基背板表面是像素图案导电层、隔离层和修饰层（下电极），其材料属性和抛光程度极大影响了OLED发光效率，一般采用半导体工艺兼容的Al、TiN或Mo等材料。在下电极上方制作多层有机材料和透明电极，透明电极将各像素的阴极连接，形成透明共阴电极。为避免OLED器件与空气中的水氧接触而变质，一般采用薄膜封装（例如通过PECVD或ALD工艺），使OLED器件与空气隔绝。利用RGB彩色滤光膜，实现OLED器件全彩显示。最后，盖上玻璃封盖，构成完整的顶发射OLED微显示器^［24］。

图 4. 顶发射硅基OLED器件结构^［23］

Fig. 4. Structure of a top-emitting OLED on silicon device^[23]

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4.2　全彩化方案

4.2.1　白色OLED器件

白光器件加彩色滤光膜是如今大多数硅基OLED微显示器采用的全彩方案。白光OLED器件结构有单层结构、多层结构和串联叠层结构（tandem）。单层结构将三色发光材料掺杂到同一主体材料中，成本较低，但发光效率也低。多层结构将不同颜色的发光层隔开，通过互补色层实现白光，但由于不同发光层的驱动电流和寿命不同，器件容易出现稳定性问题。串联叠层结构则是将两个或两个以上的发光层用中间层串联起来，从而达到两倍或两倍以上的电流效率^［25］。例如，在蓝光和红/绿发光层之间插入电子产生层（CGL），可显著提高器件性能，且由于叠层结构电流密度小，更容易延长器件寿命，典型结构如图5所示。KOPIN公司近年采用双叠层白光OLED加彩色滤光片的方案，在100 A/cm²电流密度下亮度达7000 cd/m²。

图 5. 串联叠层白色OLED结构

Fig. 5. Tandem structure for white OLED

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4.2.2　彩色滤光膜

对硅基OLED微显示器添加彩色滤光膜主要有两种方式^［26］，即先在玻璃上制造滤光膜，然后将其贴合覆盖到OLED器件上，或者将彩色滤光膜直接沉积和蚀刻在OLED器件上。第一种方案中，对于滤光膜材料和工艺的选择更为广泛，但需要考虑对位精度和贴合良率，有晶圆级贴合和芯片级贴合两种方案。对于晶圆级贴合方案，在制有滤光膜的玻璃基板上涂上胶水，将其对准并压在硅基OLED背板上；芯片级贴合方案采用拾起定位的方式，将彩色玻璃膜分离并定位粘连，这种方法必须注意玻璃切割带来的污染。为避免像素色偏，玻璃盖需要以一定压力贴合至微显示器上，使得滤光膜尽量贴近OLED器件，挤压过程也必须避免颗粒与气泡进入OLED器件。对于第二种方案，则是将彩色滤光膜直接制作于OLED器件表面，不同于在玻璃上制作，由于OLED器件不能承受高温，需要额外的紫外线（UV）固化来弥补热固化的不足，但随着滤光膜厚度增加，UV固化效率降低，出现了专用于OLED微显示器的低温彩色光刻胶，目前已经商用。

4.2.3　微腔结构

微腔结构通过不同厚度电极，使不同像素发出不同波长的光，例如红、绿、蓝光，组合后形成白光，同时，在电极下方制作额外的填充层，利用光刻技术调节填充层厚度，得到不同长度的微腔，基本结构^［27］如图6所示。在现有工艺技术中，一般先在绝缘层挖出沟槽，然后在沟槽内制作反射电极来形成微腔。但仅依靠曝光强度和曝光时间很难实现理想沟槽，微腔效果较弱。如果不通过沟槽，直接在绝缘层上制作不同高度的反射电极，容易出现电极高度落差大而导致阴极断裂的现象。因此，曾章和等^［28］提出一种新型强微腔结构，通过化学机械抛光工艺精准控制反射电极和绝缘填充层厚度，通过多次沉积成膜形成不同厚度的透明导电膜（TCL），形成强微腔效应，参考结构如图7所示。

图 6. 基本微腔结构示意图^［27］

Fig. 6. General microcavity structure^[27]

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图 7. 强微腔结构示意图^［28］

Fig. 7. Enhanced microcavity structure^[28]

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4.2.4　微透镜结构

除了在材料和结构上提升OLED发光亮度，还可以采用微透镜阵列（microlens array）提升OLED光输出效率。2019年，SONY公司^［29］提出了结合微透镜阵列的高效率OLED结构，对每个亚像素都配备一个透镜，将光高效率地从正面射出，透镜与OLED钝化层间使用低折射率树脂填充，结构如图8所示。微透镜通过光刻和热回流方法制备在彩色滤光膜上，再与OLED器件组装，避免OLED高温加工后性能下降。实验结果表明，在相同的电流密度下，配备微透镜的OLED微显示器的亮度相比没有配备微透镜的OLED微显示器提升2.9倍，达5000 cd/m²以上。此外，微透镜对控制观察角度的颜色偏移也有较好效果。

图 8. 微透镜硅基OLED器件结构图^［29］

Fig. 8. Structure of microlens OLED on silicon device^[29]

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4.2.5　直接图案化技术

传统AMOLED的彩色像素可以通过fine metal mask（FMM）蒸镀技术形成，对于像素点距小于10 μm的硅基微显示器，不论制作工艺还是对位精度，FMM都难以满足要求。美国eMagin公司^［30］提出了直接图案化技术（dPd），利用开口掩模板（open mask）制作空穴注入层和空穴传输层，然后分别制作红、绿、蓝的发光层，最后利用开口掩模板制作电子传输层和阴极，从而不再需要彩色滤光膜，亮度大幅提高。基于此技术，eMagin公司开发了尺寸为0.87 inch的2K全彩微显示器，并于2022年公开了亮度超过10000 cd/m²的彩色OLED微显示屏，如图9所示。

图 9. eMagin WUXGA OLED微显示器

Fig. 9. eMagin WUXGA OLED microdisplay

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4.3　驱动技术

4.3.1　被动寻址和主动寻址

OLED寻址方式可分为PM（被动）和AM（主动），PM方式仅用于单色或分辨率较低的显示器，AM更适用于分辨率更高的显示器。在AM驱动中，每个像素都配备独立的驱动电路，可以产生更高的显示分辨率和更高的灰度等级。

4.3.2　电流驱动和电压驱动

AMOLED像素驱动原理分为电压控制和电流控制两种。与以TFT为背板的AMOLED显示器件相比，硅基OLED像素面积要小得多，流过像素的电流也很小，大约在几百pA到几十nA之间。由于OLED是电流驱动器件，发光亮度和电流大小成线性关系，早期OLED像素电路中普遍采用电流控制像素电路，其典型代表是电流镜^［31］，电路结构如图10（a）所示。由于电流控制电路中的电容充电速度较慢，当显示分辨率增高后，采用充电速度更快的电压控制，电路结构如图10（b）所示，由2个晶体管和1个电容构成（2T1C），M2为开关管，M1为驱动管。写数据期间，扫描信号使M2打开，数据线对电容充电；发光期间，M2关闭，电容上存储的电压使M1保持导通，电流通过OLED像素^［26］。电压控制电路的特点是控制简单，电容充电速度快，但电流不容易保持线性。如今在硅基OLED微显示器中，像素驱动电路方案多以电压驱动为主，采用多种方法调整非线性，实现多级灰度显示。

图 10. 像素电路。（a）电流镜像素电路；（b）电压驱动像素电路

Fig. 10. Pixel circuit. (a) Current mirror pixel circuit; (b) voltage driven pixel circuit

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4.3.3　模拟驱动和数字驱动

传统TFT驱动电路的问题在于驱动晶体管的阈值电压（Vth）不一致，造成相同电路结构的OLED像素亮度并不一致，因此大多驱动电路研究工作都把重点放在对阈值电压的补偿上。SONY公司^［32］提出了一种用于高分辨率、高亮度均匀性OLED微显示器的电压编程像素电路，该电路采用4个N管和1个电容的结构，通过Cs对N1的Vth进行存储，以应对体效应引起的Vth变化，从而减小发射电流偏差，亮度均匀性高。北京大学^［23］提出了串联4个N型MOS管的结构来扩展输入数据电压范围，所提出的电路可以补偿阈值电压偏差。

尽管如此，模拟像素电路由于工作在亚阈值区或线性区，晶体管的输出电流受阈值电压影响大，加入补偿电路的同时也增加了复杂的时序、更多的功耗和像素电路的面积。因此针对要求更高的微显示器，可采用数字驱动，通过控制给定时间内发光时间的占空比来调制亮度。对于理想的数字PWM驱动，在任何一个时间节点上，OLED像素都只有亮或暗两种状态，可利用存储器来设计像素驱动电路，常用的存储器为SRAM和DRAM。后者类似于2T1C像素电路，通过对电容充放电来打开或关闭开关管。而SRAM不包括电容，速度更快、功耗更低。图11（a）采用了传统模拟方式，电流一致性稍差。图11（b）采用了7T0C像素驱动电路，T1~T6构成SRAM数据锁存单元，T7作为开关管控制OLED电流打开或关断，驱动管工作在饱和区，其一致性对输出电流影响较小，可驱动较高分辨率的微显示器^［33］。在7T0C基础上，提出5T0C^［34］和3T1C^［35］等像素电路，对像素电路进行进一步优化，减小面积。

图 11. 像素驱动电路。（a）基于2T1C的模拟驱动像素电路框图；（b）基于SRAM的数字驱动像素电路框图

Fig. 11. Pixel drive circuit. (a) Block diagram of analog driving pixel circuit based on 2T1C; (b) block diagram of digital driving pixel circuit based on SRAM

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数字型驱动OLED在显示运动画面时会出现动态假轮廓（DFC）。本课题组^［36］提出最小可察觉失真积分法来量化不同扫描策略产生的动态假轮廓，并通过实验论证了该评估方法的可靠性，该方案结合了线性脉宽调制法和分形扫描法。PWM驱动下，在12.5%~87.5%的占空比下，硅基OLED微显示器寿命可延长1.6~20.9倍^［37］。

4.4　人眼凝视点渲染技术

高端VR/AR应用对分辨率、刷新率提出更高要求，需要更大数据传输带宽。研究人员发现，人眼在视网膜中心处的空间频率和视觉敏感度最高，视觉边缘相对模糊。针对这一特性，可以对图像边缘的数据进行压缩，从而降低数据传输带宽。本课题组^［38］提出了一种基于人眼凝视点自适应的中心凹图像传输算法，建立了包含压缩比和像素距离的压缩比金字塔，其过程如图12所示，在高分辨率的硅基OLED显示器上验证了所提出的算法。优化后，凝视点在图像坐标中心和原点的待传输像素总数只有原始图像像素总数的8.16%和2.33%，为实现更高分辨率的近眼显示器提供了新思路。进一步地，动态调整凝视点的位置以优化近眼显示系统，综合压缩率可以超过40∶1^［39］。图13展示了自适应微显示器在不同凝视点时的显示图像。

图 12. 多尺度金字塔凸显混合输出结构^［38］

Fig. 12. Multi-scale pyramid highlighting mixed output structure^[38]

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图 13. 基于人眼凝视点的自适应微显示器的拍摄图^[39]

Fig. 13. Photos obtained by adaptive micro-display based on human eye condensation point^[39]

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5　Micro-LED技术原理和发展现状

5.1　器件结构和工艺技术

5.1.1　Micro-LED器件结构

Micro-LED是高度集成的自发光器件，基本结构如图14所示。在CMOS驱动芯片上集成微小尺寸的LED阵列，形成micro-LED微显示器，每个LED像素点单独寻址点亮形成图像。Micro-LED的发光效率高、色彩丰富、器件稳定、响应速度极快，能在近眼显示领域得到较好应用。

图 14. Micro-LED器件结构

Fig. 14. Micro-LED device structure

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5.1.2　外延技术

目前micro-LED外延技术使用的衬底材料主要有蓝宝石和硅两种。蓝宝石衬底价格便宜。硅衬底芯片由研磨腐蚀技术得到，该技术对外延层损伤相对较小，更方便控制外延均匀性。日本夏普公司^［40］使用的外延片就是蓝宝石衬底，在micro-LED阵列上进行量子点-PR图案化之前，需要通过激光剥离工艺去除蓝宝石衬底。苏州晶湛公司^［41］利用GaN-on-Si外延片制造的产品，通过优化AlGaN/GaN肖特基势垒二极管，拥有极高的击穿电压和较高的良率。2021年，香港科技大学^［42］利用GaN-on-Si外延片制作高亮度micro-LED，通过湿法刻蚀去除硅衬底，最终像素密度能够达848 PPI，为微显示器大规模生产提供了解决思路。

除材料外，外延片的波长均匀性也较大影响micro-LED的生产良率。相对于传统LED，micro-LED微显示器对外延的要求更高，尤其针对VR/AR等应用场景，要求外延均匀性在3 nm以内，必须严控整个晶圆表面的缺陷。目前主要采用金属有机化合物化学气相沉积（MOCVD）工艺来获得外延片，外延生长过程中，MOCVD设备的温度、压力、气流等参数均对外延片的均匀性造成影响。提高MOCVD设备的调控性能是提高波长均匀性的可行方案。其次，外延生长过程中出现的缺陷和表面颗粒会在micro-LED中对应形成芯片坏点，因此还要进一步提高加工过程的环境洁净程度。

5.1.3　芯片封装结构

LED芯片包括正装结构、倒装结构和垂直结构3种。正装芯片结构的电极在上方，从上至下材料依次为P-GaN、发光层、N-GaN、衬底。随着micro-LED芯片尺寸越来越小，留给正装芯片的引线布线空间不足。倒装芯片结构与之相反，PN结产生的热量不经过衬底直接传导到热沉，因而散热性能好，芯片发光效率和可靠性较高。Day等^［43］将InGaN micro-LED阵列与CMOS芯片倒装键合，制作的混合集成芯片大小仅6 μm。同时研究表明，倒装芯片制成的蓝光、白光器件工作在大电流时具有良好的发光均匀性^［44］。垂直芯片结构采用高热导率的衬底取代蓝宝石，更易于散热，正负电极分别位于LED芯片上下两侧，电流均匀分布，避免了局部高温，进一步提升芯片可靠性。2019年，韩国科学技术院^［45］通过堆叠不同颜色的micro-LED实现超高分辨率微显示器。虽然目前垂直结构芯片的成本较高，尚未进入生产化过程，但随着技术改良，垂直结构也将具有竞争力。

5.1.4　Wafer bonding

JBD公司^［46］采用独特的晶圆级单片混合材料集成技术，先将micro-LED晶圆与IC晶圆结合，然后移除micro-LED生长基板，实现了单晶层的转移，如图15所示，制备了红、绿、蓝三色有源矩阵micro-LED微显示器，由于避免了巨量转移，可提高芯片良率。2021年，美国KOPIN公司与JBD公司共同开发了2K单色micro-LED微显示器，亮度高达4×10⁶ cd/m²。

图 15. 晶圆级单片混合集成技术^［46］

Fig. 15. Wafer-level monolithic hybrid integration technology^[46]

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5.2　全彩化技术

5.2.1　直接RGB分色

直接分色法是最基础的全彩化方案，三种颜色子像素通过横向或垂直结构连接到衬底上，形成一个全彩像素。2018年，Stover^［47］在SID display week上展示了一款尺寸为0.7 inch的彩色micro-LED微显示器，其分辨率达960×540，峰值电流密度仅为传统LED的1/100，成为早期RGB分色micro-LED全彩微显示器的领先者。但是这一方法制作良率并不高，不同子像素材料不同，会使制作过程变得复杂，并且由于驱动电路输出电流与理论电流存在误差，图像产生色差。而且RGB分色micro-LED全彩微显示器要实现批量生产还存在巨量转移问题。

除此之外，红光效率低也一直是RGB分色micro-LED面临的一大关键问题。GaN材料可以实现蓝色、绿色的高效率发光，但GaN无法实现红光。目前较为普遍的方法是通过加入铟制成InGaN材料实现红光micro-LED，然而随着铟含量的增加和芯片尺寸的缩小，红光效率会显著下降。针对这一情况，AlGaInP基红光的micro-LED由于良好的电稳定性和光学输出，成为研究热点之一。2022年，JBD公司推出尺寸为0.13 inch的AlGaInP基红光micro-LED芯片，亮度达5×10⁵ cd/m²。

5.2.2　光学透镜合成技术

通过光学棱镜（trichroic prism），将RGB三色micro-LED合成全彩色显示，比较典型的是JBD公司^［48］提出的显示引擎，其由3个单色micro-LED微显示面板与1个合色棱镜（X-cube）组成，通过合色棱镜将附于其三个不同面的红、绿、蓝单色微显示面板进行光学合色，实现了全彩化。三色micro-LED阵列的亮度可以单独调整。刘召军团队^［49］利用三基色棱镜，将3个自发射的micro-LED微显示器产生的图像组合成彩色图像。

5.2.3　色彩转换技术

全彩化方案在实现过程中会存在技术成本和可靠性问题。近年来，提出了利用色彩转换材料在UV或蓝色micro-LED基础上实现彩色显示的方案，例如紫外自对准固化技术利用紫外micro-LED激发掺入不同颜色纳米晶体的纳米复合材料，实现多色转换。目前蓝光LED已发展较为成熟，而紫外LED的光提取效率和电流注入效率较低，仍处于发展阶段^［50］。

色彩转换技术使用较多的转换介质有两种：荧光粉和量子点（QD）。荧光粉技术较为成熟，但由于其颗粒较大，且本身会吸收光，效率有限。量子点是近些年的研究热点，用于micro-LED的量子点尺寸一般为1~10 nm，量子点越小，发光越接近蓝色，越大越接近红色。Chen等^［51］使用基于GaN的蓝色micro-LED和量子点制造了单片RGB micro-LED，成功提高了对比度和光输出强度。制造micro-LED量子点转换层过程中，抑制量子点的重吸收是提高颜色转换效率的关键^［52］。卢子元团队^［53］研究了不同厚度和混合比例的量子点膜层的吸收/发射光谱，在量子点膜层中加入了TiO₂散射粒子，优化了光转换效率。

由于micro-LED各子像素间距离很小，相邻颜色量子点容易相互干扰，因此涂层工艺也非常关键。2021年，厦门大学Wu等^［54］基于Aerosol Jet喷涂技术并利用光学微影蚀刻出模具来分隔三种颜色的量子点，制作全彩micro⁃LED显示阵列，用于直视型超广视角AR眼镜。郭浩中团队^［55］通过紫外/蓝色micro-LED来激发红色和绿色量子点，实现红光和绿光的发射。虽然量子点在稳定性、散热能力等方面还存在不足，但它的高发光效率、宽吸收光谱等优点使其在微显示领域具备极大的潜力。

5.2.4　光场叠层技术

美国Hu^［56］提出一种光场叠层技术，在3块水平的芯片上分别制作红绿蓝三色光，通过棱镜折射，在垂直方向合成实现全彩化显示。进一步地，可在同一块CMOS基板上制造红绿蓝三色显示区域，像素点之间相对位置固定，从而降低光学合色系统的要求，提高显示模组的精度，由于电路是一次性制作，可降低生产成本，提高良率^［57］。

综合以上几种全彩化方案，相较于RGB分色方案和光学透镜合成方案，量子点转换方案的效率更高、可靠性更强，也是目前研究的热点。虽然当前量子点技术仍存在工艺要求高、材料稳定性差等不足，限制了应用范围，但由于量产化可行性高，且不需要额外的光学棱镜，在微显示领域，尤其是在AR/VR等对体积、成本要求更高的应用场景中的发展前景值得期待。

5.3　驱动技术

5.3.1　CMOS被动驱动

硅基LED的驱动方式较硅基OLED类似，都是通过电流来驱动器件发光，也分为被动驱动（PM）和主动驱动（AM）。PM以行列扫描方式点亮，但在实现全彩化时，由于RGB三色的驱动电压存在差异，亮度也存在差异。邓鹏团队^［58］通过FPGA器件驱动了全彩LED微显示器。

5.3.2　CMOS主动驱动

AM方式通过共电极倒装驱动，驱动能力强，能实现高亮度和高对比度的效果，控制能力强而且速度快。为了精准控制色彩变化，调整亮度和色阶，可以采用占空比调制的方式，香港科技大学选择PMOS作驱动器，将像素阳极连接到晶体管漏极。驱动电路结构^［59］如图16所示，这一结构的优点是micro-LED像素的均匀性和退化不会影响驱动晶体管的输出电流。其后采用2T1C结构陆续驱动多种micro-LED微显示器。法国CES-leti的研究人员^［60］开发了一种生产高性能GaN micro-LED显示器的新工艺，将micro-LED芯片直接转移到CMOS晶圆的顶部，由CMOS驱动电路和micro-LED芯片制成的每个完整的“像素”被转移到显示器基板上。这一技术由Aledia公司投入商用。

图 16. 驱动电路结构图^［59］

Fig. 16. Diagram of a driving circuit structure^[59]

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在微显示的AR/VR应用中，功耗成为关键问题。台湾JDC公司^［61］使用数字驱动，为micro-LED微显示器降低了功耗。基于此，本课题组研发了数字驱动micro-LED微显示器背板，制作了尺寸为0.28 inch的micro-LED微显示器，分辨率为1280×720，单元像素尺寸间距为5 μm，使用4个LVDS差分对进行数据传输，点亮样品，如图17所示。相比被动驱动，CMOS主动驱动的反应速度更快，电极数更少，且可以实现独立控制，更具有发展潜力。

图 17. Micro-LED微型显示器结构与RGB单色显示

Fig. 17. Micro-LED miniature display structure and RGB monochrome display

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5.3.3　TFT驱动

美国的Lumiode公司^［62］展示了一种独特技术：在micro-LED阵列顶部制造TFT背板，形成集成了多晶硅TFT的III-V micro-LED，利用该技术制作了像素密度为1400 PPI的0.13 inch单绿色微型显示器，其截面如图18所示。通过传统的半导体工艺处理蓝宝石上生长的III-V LED外延，这样就无需转移或粘合，增强了扩展性，可降低制造成本。

图 18. 集成多晶硅TFT的III-V LED截面图

Fig. 18. Cross-sectional diagram of III-V LED integrated with a poly-crystalline thin-film silicon transistor

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6　总结

VR/AR技术目前还在探索和初级应用阶段，随着各项技术的迅速发展，在**、工业、医疗、教学及游戏商业等领域都有广泛的应用前景。例如，VR/AR技术为海陆空作战设备提供环境位置及协同信息^［63］；结合传统的骑行眼镜，增加可视化速度、心率、导航等信息^［64］；结合自由曲面（FFS）实现大视场的头盔显示器，减轻**装备重量^［65］等。硅基微显示器作为一种微型的图像显示设备，成为AR/VR近眼显示系统的优选方案。基于VR/AR设备的使用特性，近眼显示屏幕需要具备低功耗、高分辨率、高刷新率、高亮度等特点。目前LCoS以高亮度、高分辨率、量产成熟等特点成为AR头戴式显示器的主要解决方案，被最先应用于谷歌眼镜等头戴式显示器中。主动发光的硅基OLED和micro-LED由于更好的显示特性，将成为未来近眼显示的主流器件。硅基OLED具有更广的色域和极佳的对比度，能实现自发光、低功耗，包括美国eMagin、日本SONY在内的多家公司进行了深度研究，国内也有较多公司已展开量产。Micro-LED整体优势在于超高的亮度、较广的温度适应性和器件稳定性，非常具有竞争力，但由于是一项新兴技术，整体方案还不是很成熟，相比其他微显示技术成本较高。总体而言，硅基OLED已开始进入量产阶段，而micro-LED微显示的技术研究还处于初步阶段，与此同时，各大厂商并未停下对其他主流微显示技术的深入探索。随着微显示技术的进一步发展，未来VR/AR头戴显示器将会变得更加舒适、小巧，能更好地满足大众消费者的需求。