硅基微显示器以单晶硅为衬底，背板中集成CMOS驱动电路，具有体积小、像素密度高、开关速度快、功耗低等特性，在近眼显示、投影、增强现实/虚拟现实（AR/VR）等领域具有广泛应用。综述数字微镜器件（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种硅基微显示器，重点论述硅基OLED和硅基micro-LED的关键技术和研究进展。这些硅基微显示器具有主动发光、高分辨率、高刷新率、高对比度、低功耗等突出特点，在近眼显示领域拥有巨大的应用潜力。

增强现实技术是元宇宙重要的人机交互平台，其中光学成像部件和微显示屏是成像质量的关键。目前有5种微显示器件：硅基液晶、硅基OLED、硅基micro LED、digital light processing（DLP）、激光扫描振镜。将着重介绍不同微显示屏的组成结构、工艺流程、硅基驱动方式、发展现状及面临的挑战。在硅基驱动部分，将从像素驱动的不同电路和不同驱动电路的优缺点入手，分析不同显示技术在硅基部分的设计和指标挑战。对目前不同技术所能达到的指标进行汇总比较。讨论硅基背板的设计关注点和发展趋势。最后，对不同微显示芯片的应用场景和发展进行讨论。

为了研究硅基OLED(Organic Light Emitting Diodes)微显示器的使用寿命,通过老化实验提出一种基于恢复模型的OLED亮度衰减模型,该亮度衰减模型融合传统延伸型指数衰减模型与OLED亮度恢复模型。使用亮度退化数据拟合衰减模型中的待定参数,得到初始亮度和占空比与OLED寿命之间的定性和定量关系,实现OLED的高精度亮度衰减预测。研究结果表明,对比所提模型的预测数据与实测亮度衰减数据可得,所提模型的预测误差小,拟合精度高达99.22%,相同初始亮度驱动下OLED的寿命预测准确度可提高79.1%。PWM(Pulse-Width Modulation)驱动下硅基OLED微显示器的寿命性能较传统电流/电压驱动型优越,在12.5%~87.5%的占空比下,可延长1.6~20.9倍的硅基OLED微显示器寿命。

以传统的6T SRAM(5T+1MOS驱动管)结构硅基OLED像素电路为例，分析了开关管尺寸对数据写入的影响。提出了一种新型数字型硅基OLED像素电路，用5T(4T+1MOS驱动管)实现与6T SRAM(5T+1MOS驱动管)结构相同的功能。另外新型的像素电路与传统的SRAM结构相比，其数据写入不受开关管尺寸的影响，可以采用最小尺寸的开关管。基于SMIC 0.18 μm 1.8 V/5 V混合信号工艺设计，通过仿真得出6T SRAM结构像素电路能正常写入的开关管最小尺寸为540 nm/600 nm，像素单元版图面积为4.3 μm×4.3 μm；新型5T结构像素电路中的开关管尺寸可以为工艺最小尺寸，即300 nm/600 nm，版图面积为3.91 μm×3.91 μm，相比之下单个像素单元版图面积缩小了17.3%。

由于人类视觉系统感知的亮度与显示器实际显示的亮度为非线性关系, 需要对显示器的视频数据进行伽马校正, 使显示亮度适应人眼的感知需求。本文提出一种针对硅基OLED微型显示器的伽马校正方法。首先, 基于人眼视觉的伽马特性, 分析伽马校正的基本原理。然后, 提出对输入视频数据进行位宽拓展达到非线性输出, 并基于查找表和分段可调的线性差值算法实现伽马校正。最后, 根据实际XGA039芯片发光情况调试校正参数以达到更优的显示效果。实验结果表明: XGA039芯片最大发光亮度为20 000 cd/m2, 在伽马取值为2.2时, 采用可调非均匀分段获得了较好的显示效果。所提出的伽马校正方法能够使视频图像的显示质量明显改进, 且较传统方式在精度和实现面积上均有一定优势。

针对单绿高亮硅基OLED显示屏的特点,研究了其亮度调节电路,以满足高低温、宽范围亮度条件下的应用要求。选取2.4 cm单绿高亮硅基OLED作为显示屏组件,设计了具有温度-亮度补偿功能的宽范围亮度调节电路,并优化了调亮曲线,以满足高低温下亮度一致性的应用要求。最后进行了相应的光电测试,验证其有效性。

当前, 硅基OLED(organic light-emitting diode, OLED)微显示器正向高分辨率、高刷新频率方向发展。为了实现像素面积微小型化、降低扫描数据流量从而更好满足高分辨率、高刷新率的要求, 提出了一种新型的有源矩阵硅基微显示驱动电路结构。该电路采用数模融合的扫描策略, 该策略结合了数字脉宽调制方式和模拟幅值调制方式; 设计了多列像素复用列驱动通道的结构, 满足数模融合扫描方式的时序要求。最后通过对列驱动单元后仿真, 得到关键时序参数, 结合数模融合扫描策略确定了几个具体结构方案。在保证红绿蓝三色像素尺寸在10 μm以下的情况下, 与单纯的数字扫描策略相比, 每秒数据流量降低了25%~64%。结果表明: 基于数模融合扫描策略的硅基OLED微显示驱动电路在保证像素面积微小型化基础上, 降低了扫描数据流量, 有利于高分辨率高刷新率的显示。

硅基OLED微显示中为了在极小的像素面积内实现微小的OLED工作电流, 其像素驱动电路的驱动MOS管一般工作在亚阈值区, 存在OLED电流对驱动MOS管的阈值电压和栅源电压失配敏感、外围电路复杂等问题, 如果驱动MOS管工作在饱和区则可避免这些问题, 但为了获得微小的驱动电流, 必须采用尺寸大的倒比MOS管, 这又与极小的像素面积冲突。本文提出了一种采用脉宽调制(PWM)技术、驱动MOS管工作在饱和区的OLED微显示像素驱动电路, PWM信号减少了一帧内OLED的实际工作时间, OLED的脉冲电流变大, 使驱动MOS倒比管的尺寸减小; 由于PWM信号占空比小, 同时实现了OLED微小的平均像素驱动电流和亮度。结果表明PWM信号占空比为3%时, 实现的OLED驱动电流和像素亮度范围分别为27 pA~2.635 nA、2.19~225.1 cd/m2, 同时采用双像素版图共用技术, 在15 μm×15 μm的像素面积内实现了像素驱动电路的版图设计。