微顯示器是具有微型屏幕尺寸和分率的小型化顯示單元，又稱為微型平面顯示面板。通常指對角線尺寸小于1英寸(2.54厘米)的顯示器，常被用于光學引中，其生成的圖像作為光學系統圖像的來源。它們的小尺寸使其可以用于需要占用較小空間的屏幕的各種應用中，例如頭戴式顯示器和數碼相機。它們還廣泛用于背投電視和數據投影儀中。

    微顯示器可以通過一系列顯示技術制造，主流技術包括:硅基液晶(LCOS)、液晶顯示器(LCD)、數字微鏡器件(DMD)、數字光處理(DLP)、硅基OLED( OLEDOS)、Micro LED等。主流顯示器技術比較

     數據來源: Sigmaintell， Oedia，語、新通訊、廣發證券發展研究中心（備注：硅基OLED國內廠家還有京東方、湖畔、夢顯等等，上述表格列出僅供參考）

    (一)硅基液晶技術(LCOS)

    硅基液晶LCOS( Liquid Crystal on Silicon)是LCD與CMOS集成電路有機結合的反射型新型顯示技術。其結構是在硅片上，利用半導體制程制作驅動面板，然后在電晶體上透過研磨技術磨平，并鍍上鋁當作反射鏡，形成CMOS基板，然后將CMOS基板與TO導電玻璃上基板貼合，再注入液晶，進行封裝測試。

圖2:LCOS結構  數據來源: Ofweek，廣發證券發展研究中心

    LCOS技術利用的是液晶分子自身的雙折射特性，藉由電路的開關以推動液晶分子的旋轉，對入射光線的偏振進行調制。當液晶層像素的外加電壓為零時，入射的S偏振光經過液晶層，其偏正方向不產生擔轉，達到底部金屬反射層反射回來時仍為S偏振光，穿過液晶層射出。隨后經過PBS棱鏡反射回到原來光路，在這種情況下，光線不進入投影光路，沒有光輸出，即此像素呈現“暗態”。反之，當像素存在外加電壓時，入射的S偏振光在經過液晶層時，偏振方向將發生偏振，當其經金屬反射層反射，再出穿過液晶層時將變為P偏振光。這東P偏振光在穿過PBS棱鏡是，將進入投影光路，在屏幕上顯示成像，即呈現“亮態”。施加在像素兩端電壓的大小將影響液晶分子的光通性能，進而決定該像素的顯示灰階。

三片式LCOS投影原理 數據來源:我愛原理網，廣發證券發展研究中心

    LCOS面板最大的特色在于下基板的材質是單晶硅，因此擁有良好的電子移動率而且單晶硅可形成較細的線路。其次，LCOS為反射式技術，不會像 HTPS LCD光學引擎會因為光線穿透面板而大幅降低光利用率，因此光利率率可提高至40％，與穿透式的 HTPS LCD的3％相較，可減少耗電，并可產生較高的亮度。最后，其成本較低。LCOS光學引擎因為產品零件簡單，可利用目前廣泛使用、便宜的CMOS制作技術來生產，需額外的投資，因此具有低成本的優勢。并可隨半導體制程快速的微細化，逐步提高解析度。

    (二)液晶顯示器技術(LCD)

    LCD( Liquid Crystal Display)即液晶顯示器，其構造是在兩片平行的玻璃基板當中放置液晶體，下基板玻璃上設置TFT(薄膜體管)，上基板玻璃上設置彩色濾光片，通過TFT上的信號與電壓改變來控制液晶分子的轉動方向，從而達到控制每個像素點偏振光出射與否而達到顯示目的。

圖4:LCD結構 數據來源: bbsmax，廣發證券發展研究中心

    LCD技術最大的優勢是其制造工藝十分成熟，成本較低，并且使用壽命較長。然而LCD通常用穿透式投射的方式，光利用效率低，解析度不易提高。并且LCD在顯示黑色時無法關閉背光源，而是通過液晶分子阻擋光線，因此會表現出一種灰白色這一特點也導致了LCD對比度低的劣勢。

    （三) 數字光處理技術(DLP）

    數字光處理DLP( Digital Light Processing)投影系統的核心是數字微設備芯片DMD( Digital Micromirror Device)。DMD是一塊通常有多達130萬個鉸接安裝的米級微鏡組成的矩形陣列，一個微鏡對應一個像素。DMD面上的微鏡安裝在極小的鏈上，在DLP投影系統中，微鏡向光源傾時，光反射到鏡頭上，相當于光開關的“開狀態。當微鏡向光源反方向傾斜時，光反射不到鏡頭上，相當于光開關的“關”狀態。鏡每秒“開”或“關”幾千次，當微鏡開的次數比“關”的次數多時，反射得到的是一個有灰度級的亮像素，反之，反射得到的是一個有灰度級的較暗像素。

圖5:DMD結構 數據來源:德州儀器，廣發證券發展研究中心

圖6:DLP投影技術原理 數據來源:德州儀器，廣發證券發展研究中心

    DLP由于以鏡片為基礎，提高了光通效率，因此DLP投影系統比所有其他顯示系統具有更強的亮度。然而，由于其設計難度大、生產成本高、體積大等劣勢，目前主要使用于投影機市場。

    (四)硅基OLED( OLEDos）

    硅基OLED微型顯示器是結合CMOS工藝和OLED技術，以單晶硅作為有源驅動背板而制作的主動式有機發光二極管顯示器件。硅基OLED器件結構包括驅動背板和OLED器件兩個部分。驅動背板應用標準的CMOS工藝制作，形成硅基OLED微顯需要的像素電路、行列驅動電路以及其他的功能電路。在CMOS電路的頂層金屬中通常制作高反射的金屬，作為OLED器件的陽極。OLED器件部分通常包括空穴注入層空穴傳輸層、發光層、電子傳輸層、電子注入層、半透明的頂電極。在頂電極上制作薄膜封裝層，用于阻隔水氧，接著旋涂透明貼合膠層，貼合玻璃進行器件強度保護。

    圖7:硅基OLED結構 數據來源: Semantic Scholar，廣發證券發展研究中心

    硅基OLED采用成熟的集成電路CMOS工藝，并結合了OLED快速響應、大視角、低功耗等突出優點，不但實現顯示屏像素的有源尋址矩陣，還實現了如SRAM存儲器TCON等多種功能的驅動控制電路，減少了器件的外部連線，増加了可靠性，實現了輕量化，像素尺寸為傳統顯示器件的1/10，精細度高于傳統器件。但是硅基OLED亮度低、制造成本高，目前多使用于VR顯示以及AR顯示。

    與LCOS相比硅基OLED 亦具有不少優點：

    1 ) 低功耗，比 LCD 功耗小 20%，電池重量可以更輕。

    2) 工作溫度寬，LCD 不能在極端溫度如 0℃下工作，必須額外加熱元件，而在高溫下又必 須使用冷卻系統，所有這些解決方案都會增加整個顯示器的重量、體積和功耗。而 OLED 為全固態器件，不需要加熱和冷卻就可以工作在-46℃~+70℃的溫度范圍內。

    3 ) 高對比度，LCD 使用內置背光源，其對比度為 60:1，而 OLED 微顯示器的對比度可以 達到 10,000:1。

    4) 響應速度快，OLED 像素更新所需時間小于 1μs，而 LCD 的更新時間通常為 10~15ms， 相差了 1,000 到 1,500 倍，OLED 的顯示畫面更流暢從而減小視疲勞。從未來市場角度來看：2021 年全球硅基OLED 在中國產商推波助瀾下開始放量，預計 2021-2027 年出貨量實現 CAGR 65.21% 的增長。

    硅基OLED 工藝制程

    硅基OLED 是 CMOS 技術與 OLED 技術的緊密結合，是無機半導體材料與有機半導體材 料的高度融合。CMOS 技術主要使用光刻工藝、CMP 工藝等，濕法制成較多，而 OLED 技 術則主要采用真空蒸鍍技術工藝，以干法制程為主。兩者皆專業且復雜，將兩者集成于同 一器件之中，對于工藝技術要求非常嚴苛。

    硅基OLED 器件制造主要通過以下四個步驟實現：

    1)硅基 IC 設計與制造：主要涉及集成電路的設計和制造，分別由 IC 設計團隊和 foundry 廠完成；

    2）OLED 制程：主要包括 OLED 微腔頂發射技術，陽極材料技術，全彩化技術等；

    3）OLED 封裝制程：包括薄膜封裝，玻璃 cover 貼合封裝等；

    4）顯示驅動與系統：與第一部分設計制造緊密相連。

    硅基 OLED 微顯示器傳統制程。a 為器件結構截面示意圖，b 是制造流程。其 中流程 1~7 為大片制造。從流程 8 切割后，即為 dice 制造流程。流程 1 為硅基芯片的制 造過程，由集成電路晶圓代工廠按照客戶的設計和要求進行生產制造；流程 2~7 為 OLED 的制造流程，在 OLED 工藝代工廠制作完成。其中，流程 2 和 3 為像素陽極的制備過程， 包括陽極材料的成膜及其圖案化，涉及較多濕法制程。在傳統的硅基 OLED 微顯示器制造 工藝中，該制程由 OLED 工廠來制作完成；流程 8~9 由集成電路芯片封裝廠完成；流程 10 為模組與系統開發，將硅基 OLED 制作成微顯示器模組供用戶使用。

    硅基OLED 制造設備涉及微電子和光電子制造設備。其中陽極制造需要金屬濺射成膜設 備，陽極圖案化則涉及晶圓清洗設備、光刻膠涂覆設備、曝光設備、顯影去膠設備、烘烤 等設備，這些均屬半導體設備。OLED 制程段則需要 OLED 蒸鍍設備、薄膜封裝設備以及 玻璃貼合封裝設備等，這些設備集成為一套系統，在一系列真空和惰性氣體氣氛內完成。

    硅基OLED 器件結構

    硅基OLED 顯示器件以單晶硅作為襯底，在單晶硅襯底上采用標 準的 CMOS 工藝制作顯示驅動電路，以提供 OLED 顯示所需的像素驅動部分、行列驅動部 分以及其它所需的 DAC 轉換等功能電路。在單晶硅襯底上接著制作 OLED 發光單元，由于 硅片襯底不透明，需要制作頂發射 OLED 器件。首先在襯底上，制作高反射率的金屬作為 陽極，陽極電極具有較高的反射率可以實現較高的出光效率。接著制作空穴注入層、空穴 傳輸層、發光層、電子傳輸層、電子注入層等有機半導體層，形成 OLED 主體發光單元。最后，為了實現光從頂部出射，需要制作半透明的金屬層作為陰極。由于ＯLED 器件怕水 氧等破壞，在陰極上需要制作薄膜封裝層，用于阻隔水氧，在封裝層上，進一步貼合玻璃 進行器件強度保護。

    驅動芯片架構：驅動芯片采用 0.18μｍ的 CMOS 工藝設計，驅動背板包括像素電路、行列 驅動、DAC、I2C、數據處理、電源模塊、溫度檢測等功能模塊。芯片采用 數字接口，針對高分辨率的應用要求，利用數據采樣與比較完成數據傳輸，驅動芯片像素 采用電壓型驅動方式。由于 OLED 器件在不同的溫度條件下，器件亮度變化較大，因此在 芯片中集成了溫度傳感模塊，可以實時監測芯片工作溫度，實現芯片在高低溫下精確調節 電壓輸出，來調節器件的顯示亮度，保持器件顯示的穩定和一致。硅基 OLED 器件包括控 制電路芯片部分和顯示驅動芯片部分，為了方便用戶使用芯片，在驅動芯片中集成了三路 電源模塊，包括正壓 DC-DC 模塊、負壓 DC-DC 模塊和 LDO 模塊。這三路電源模塊，可 分別實現給像素整列、OLED 顯示的公共陰極和芯片中的控制電路供電。

    (五) Micro LED

    Micro LED即LED微縮技術，是指將傳統LED陣列化、徽縮化后定址巨量轉移到電路基板上，形成超小間距LED，將毫米級別的LED長度進一步微縮到微米級，以達到超高像素、超高解析率。

圖8: Micro LED技術 數據來源:Sigmaintell

    Micro LED被視為下一代微顯示器技術、 Micro LED顯示器不需要大面積的基板進行光刻或蒸發，也不需要一個復雜的過程來轉換顏色和防止亮度降低。從理論上講， Micro LED可以很簡單，成本更低，畫面性能更高。雖然Micro LED成為顯示界的當紅辣子雞，但是其商業化進程還是比較緩慢。

    最關鍵的是，Micro LED 顯示器模塊的制造工藝尚未實現類似于 LCD 或 OLED 的標準化，并且每個制造商都在開發自己的獨特工藝和產品技術。這使 Micro LED 顯示器制造工藝復雜、品種繁多。

    此外，設備和工具都是定制的，成本很高。同時，參與制造工藝的公司很多，包括 Micro LED 外延片制造商、PCB/LTPS 制造商、批量轉移制造商、驅動器集成電路（IC）制造商、機柜組裝制造商、模塊化制造商和OEM/ODM制造商。涉及的制造商越多，轉型成本就越高。

    換句話說，Micro LED 顯示器的高成本是由以下四個因素造成的：

    復雜的生產工藝

    工藝和設備標準化程度低

    多個供應鏈參與者

    良品率管理和產量不成熟、不穩定

    Micro LED 顯示器模塊工藝可以按照以下步驟排序：

    Micro LED 部件

    外延片的硅晶錠

    Micro LED芯片分割

    中介層上的倒裝芯片 Micro LED

    背板和批量轉移

    LTPS/PCB 背板

    批量轉移 （從中介層上的Micro LED到背板 ）

    Micro LED 芯片檢修

    模塊化

    IC 鍵合

    模塊組裝

    檢修

圖 5：Micro LED 顯示器模塊制造工藝

來源：Omdia，三星 ─ 照片由 Park Ken/Omdia 在 2020 年 1 月內華達州拉斯維加斯的“2020 年消費電子展(CES)”拍攝

    這些工藝存在四個主要的挑戰和技術問題：

    Micro LED 芯片和結構：Micro LED 芯片結構比傳統LED更為復雜。

    背板：TFT 背板設計比一般的TFT更為復雜。

    批量轉移工藝：存在許多可選的批量轉移工藝，例如靜電轉移、電磁轉移、激光轉移、印模轉移、整體轉移、射流轉移、逐一固晶轉移和可拉伸巨量轉移，每一種都有其優缺點。

    檢修：如有必要，需要對每個 Micro LED 芯片組進行檢修。因為有數百萬甚至數千萬個亞像素，即使良品率達到 99.99%，仍需修復存在缺陷的 Micro LED 芯片組。檢修非常耗時。

圖 6：Micro LED 制造挑戰和技術問題