硅基有机发光微显示器的高性能顶发射界面及数字驱动研究

This project focuses on the OLED-on-silicon microdisplay research and design. In the process theory and process flow part, this project will analysis the electric conductor on the silicon backplane chip surface, and will put forward the theory "one time pattern process" and the method on pixel isolation. It will combine the CMOS process and OLED process together to improve the lighting efficiency, stability, uniformity and life time of the OLED microdisplay. It will also optimize the process flow and reduce the huge investment cost of the rather expensive process equipments. In the scan algorithm part, the project will research on the image high fidelity structure based on the three-dimensional stereoscopic fractal model, which will eliminate the efficiency lost caused by the redundant scan and the gray errors caused by the analog circuit, so the display quality will be enhanced to high definition resolution and ultra high gray scale (4096 gray levels). In the circuit structure part, the project will put forward the driving circuit architecture for silicon backplane chip to support the ultra high fidelity for image display, and will research and develop the silicon backplane chip with ultra large area. In the system solution part, the project will research on the scan strategy and testability for the microdisplay system. Finally, the project will complete the full design flow of the OLED-on-silicon microdisplay and set up the design methodology. The OLED-on-silicon microdisplay shows its excellent features far better than the LCoS microdisplay in the military applications, and gives a new conception to the consumer experiences on current consuming electronics products. As a result, the technological achievements of this project will have a great practical application value and further developing potential.

本课题针对硅基OLED微显示器的开发设计展开研究，在工艺方法和工艺流程上，通过对硅基芯片界面工艺和导电介质的分析，提出一次图案化理论和像素隔离方法，将CMOS工艺和OLED工艺有机结合，在改善OLED微显示器件的发光效率、稳定性、一致性、寿命等方面特性的同时，优化设计流程、降低工艺设备的巨额投资成本。在扫描算法上，提出基于立体分形的超还度图像显示架构，消除冗余扫描带来的效率损失和模拟电路的灰度误差，使画质达到高清分辨率和超高灰度（4096级）。在电路结构上，提出超还原硅基芯片驱动电路架构，并进行超大面积芯片的设计与实现。在系统方案上，进行扫描控制策略和可测试性方案研究。最终完成硅基OLED微显示器的设计全流程，建立其设计方法学。硅基OLED微显示器在军事应用上拥有LCOS无可比拟的特性，在消费电子中具有全新概念的用户体验，因此，本项目的研究与技术成果将具有巨大的实际应用价值和进一步发展潜力

本项目对硅基OLED 微显示器的实现工艺、扫描算法、驱动电路、系统设计等方面展开深入研究，主要研究内容包括：. 1、讨论了硅基OLED 微显示器的原理和工艺流程，研究了利用半导体工艺制作像素阳极的一次图案化工艺，使硅基OLED 微显示器的工艺流程得到精简。设计了表面金属分别为Al 和TiN的测试芯片，并在芯片表面制作有机发光器件形成硅基OLED 微显示器。测试结果表明，当像素阳极材料为Al、驱动电压为4.8V 时，电流密度可达0.11mA/mm2，亮度可达1472cd/m2，发光效率为13.4cd/A；当像素阳极为TiN 时，电流密度和亮度更高。该结果为OLED 微显示器的设计提供了物理器件基础。. 2、提出了适用于超还原OLED 微显示器的最优扫描策略，建立其分形模型，消除了传统数字驱动方式在图像扫描过程中的时间冗余，提高了扫描效率，使显示器的灰度等级提升至4096 级以上,为开发超还原OLED 微显示器提出了新的思路和解决方案。. 3、提出一种适用于最优扫描策略的电流源型PWM（脉宽调制）像素驱动电路，该电路一方面可以产生精确的电流PWM信号，以数字方式驱动OLED，另一方面具有较好的OLED 衰退补偿特性，可补偿OLED 在发光过程中的衰退不一致。仿真结果表明，该驱动电路的静态特性和动态特性可以满足超还原显示的要求。. 4、对硅基OLED 微显示器的系统设计展开研究，讨论了硅基芯片的像素驱动电路、行驱动电路、列驱动电路、数字电路及全芯片的数模混合ASIC设计方法，给出了像素分辨率为1280(×3)×1024 的硅基芯片的设计和流片实例，测试结果表明该芯片在100MHz 的像素时钟下可形成4096 级灰度。详细讨论了最优扫描控制器的设计方法，基于最优扫描策略的时空拓扑序列，对最优扫描控制器的各子模块进行详细设计，并且给出了其FPGA实现过程和结果。. 本项目建立了较完整的硅基OLED 微显示器的开发流程，建立了超还原硅基OLED 微显示器的设计方法学，并通过开发实例证明了所述方法的正确性和有效性，为设计和开发超还原硅基OLED 微显示器提供了新的解决方案。项目成果包括了硅基OLED 微显示器的开发平台，发表论文35篇，申请发明专利17件。