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[3]或各向異性刻蝕(anisotropic etching)技術[4]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)[5]。
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。