CN109599742A - 一种垂直腔面发射激光器阵列模块的生产方法 - Google Patents

一种垂直腔面发射激光器阵列模块的生产方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种垂直腔面发射激光器阵列模块的生产方法，在目标晶圆衬底上外延生长p‑n结量子发光薄膜层；外延生长第一层分布式布拉格反射光栅；在硅晶圆衬底上制作具有脉冲宽度调制的有源矩阵控制电路；将量子发光外延片粘合在有源矩阵显示控制电路上；衬底剥离；选择性地等离子刻蚀形成半导体发光量子层阵列；用介质填平表面，选择性介质等离子刻蚀形成金属电极阵列；再次用介质填平表面，并将表面平整；镀上一层透明通用电极；外延生长第二层分布式布拉格反射光栅，得到垂直腔面发射激光器阵列模块。本发明可以规模生产垂直腔面发射激光器阵列模块。

Description

一种垂直腔面发射激光器阵列模块的生产方法
技术领域
本发明涉及垂直腔面发射激光器领域，尤其涉及的是，一种垂直腔面发射激光器阵列模块的生产方法。
背景技术
垂直腔面发射激光器亦称垂直腔表面发射激光器(vertical cavity surfaceemitting laser，VCSEL)是很有发展前景的新型光电器件，是一种出光方向垂直与谐振腔表面的f-p激光器。垂直腔表面发射激光器的优越性已经引起广泛关注，已在结构、材料、波长和应用领域都得到了飞速的发展。
垂直腔面发射激光器主要由三部分组成，包括激光工作物质、泵浦源和光学谐振腔。工作物质是发出激光的物质，但不是任何时刻都能发出激光，必须通过泵浦源对其进行激励，形成粒子数反转，发出激光，但这样得到的激光寿命很短，强度也不会太高，并且光波模式多，方向性很差。所以，还必须经过顶部反射镜(top mirror)和底部反射镜(bottommirror)组成的谐振腔，在激光腔(laser cavity)内放大与振荡，并由顶部反射镜输出，而且输出的光线只集中在中间不带有氧化层的部分输出。这样就形成了垂直腔面的激光发射，从而得到稳定、持续、有一定功率的高质量激光。
垂直腔面发射激光器与常规的侧向出光的端面发射激光器在结构上有着很大的不同。端面发射激光器的出射光垂直于芯片的解理平面；与此相反，垂直腔面发射激光器的发光束垂直于芯片表面并由此易于实现二维平面列阵。但如何规模生产垂直腔面发射激光器阵列模块，仍是需要改进的技术问题。
发明内容
本发明提供一种新的垂直腔面发射激光器阵列模块的生产方法。
本发明的技术方案如下：一种垂直腔面发射激光器阵列模块的生产方法，其包括步骤：
在目标晶圆衬底上外延生长p-n结量子发光薄膜层；
在p-n结量子发光薄膜层表面外延生长第一层分布式布拉格反射光栅作为垂直腔面发射激光器的底部反射层，得到带有第一层分布式布拉格反射光栅的量子发光外延片；
在硅晶圆衬底上制作具有脉冲宽度调制的有源矩阵控制电路；
将带有第一层分布式布拉格反射光栅的量子发光外延片粘合在有源矩阵显示控制电路上；
将带有第一层分布式布拉格反射光栅的量子发光外延片的衬底剥离；
在剥离衬底后的量子发光外延片上选择性地等离子刻蚀形成与有源矩阵显示控制电路相对应的半导体发光量子层阵列；
用介质填平表面，选择性介质等离子刻蚀形成对应于有源矩阵显示控制电路的金属电极阵列；
再次用介质填平表面，并将表面平整；
在平整后的表面镀上一层透明通用电极；
在透明通用电极表面外延生长第二层分布式布拉格反射光栅作为顶部反射层，得到垂直腔面发射激光器阵列模块。
优选的，所述目标晶圆包括蓝宝石晶圆、硅晶圆与氮化镓晶圆。
优选的，所述p-n结量子发光薄膜层为半导体发光器件。
优选的，所述p-n结量子发光薄膜层为电场致量子点发光器件、有机半导体发光器件、无机半导体发光器件、氮化镓半导体发光器件、砷化镓半导体发光器件、磷化铟半导体发光器件、在蓝宝石衬底上外延生长的III-V族化合物半导体发光器件、在砷化镓衬底上外延生长的III-V族化合物半导体发光器件。
优选的，将带有第一层分布式布拉格反射光栅的量子发光外延片粘合在有源矩阵显示控制电路上之前，还包括步骤：对两个晶圆衬底表面进行清洁处理，及/或，在两个晶圆衬底表面进行等离子表面激活处理。
优选的，将带有第一层分布式布拉格反射光栅的量子发光外延片的衬底剥离之后，还包括步骤：将带有第一层分布式布拉格反射光栅的量子发光外延片的n电极层减薄。
优选的，所述选择性地等离子刻蚀为有方向性的等离子体化学气相刻蚀。
优选的，选择性介质等离子刻蚀形成对应于有源矩阵显示控制电路的金属电极阵列，包括：沉淀防金属扩散壁形成阻隔空心柱，沉淀填入导电金属形成铆钉式电极阵列。
优选的，所述用介质填平表面，包括：采用化学气相沉积或者物理气相沉积方式，沉积氧化硅或者氮化硅作为透明介质填平表面。
优选的，所述将表面平整，包括：采用化学机械研磨方式，磨平表面；或者，采用无方向性等离子化学腐蚀方式，刻蚀表面使其平整化。
采用上述方案，本发明提供了能够规模生产的高密度的垂直腔面发射激光器阵列模块的生产方法，可以规模生产垂直腔面发射激光器阵列模块，因具有垂直腔面发射激光器的特点，从表面出光无须像常规端面发射激光器那样必须在外延片解理封装后才能测试，由此可以实现在生产过程中进行测试，因此能够简化工艺，降低制作成本；可用于多种应用，包括光通信、3D地形感应、显示和打印等。
附图说明
图1为本发明的一个实施例的示意图；
图2至图4分别为本发明的另一个实施例的流程分解示意图；
图5为本发明的另一个实施例的采用硅衬底的带有第一层分布式布拉格反射光栅的量子发光外延片示意图；
图6为本发明的另一个实施例的采用蓝宝石衬底的带有第一层分布式布拉格反射光栅的量子发光外延片示意图；
图7为本发明的另一个实施例的在硅晶圆衬底上制作具有脉冲宽度调制的有源矩阵控制电路示意图；
图8为本发明的另一个实施例的具有脉冲宽度调制的有源矩阵控制电路的硅晶圆衬底示意图；
图9为图6所示实施例预清洁和翻转后的示意图；
图10为图8所示实施例沉积共晶金属薄膜的示意图；
图11为图9所示实施例与图10所示实施例的进行粘合示意图；
图12为图11所示实施例剥离的带有第一层分布式布拉格反射光栅的量子发光外延片的衬底示意图；
图13为图12所示实施例进行图案化和平面化的示意图；
图14为图13所示实施例制造介电孔的示意图；
图15为图14所示实施例进行ITO沉积以形成公共电极的示意图；
图16为图15所示实施例沉积DBR多层薄膜的示意图；
图17为图16所示实施例进行介电层保护和BGA封装的示意图；
图18为图17所示实施例的另一角度示意图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面结合附图和具体实施例，对本发明进行更详细的说明。但是，本发明可以采用许多不同的形式来实现，并不限于本说明书所描述的实施例。需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本说明书中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是用于限制本发明。本说明书所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
如图1所示，本发明的一个实施例是，一种垂直腔面发射激光器(VCSEL)阵列模块的生产方法，其包括步骤：在目标晶圆衬底上外延生长p-n结量子发光薄膜层；在p-n结量子发光薄膜层表面外延生长第一层分布式布拉格反射光栅作为垂直腔面发射激光器的底部反射层，得到带有第一层分布式布拉格反射光栅的量子发光外延片；在硅晶圆衬底上制作具有脉冲宽度调制的有源矩阵控制电路；将带有第一层分布式布拉格反射光栅的量子发光外延片粘合在有源矩阵显示控制电路上；将带有第一层分布式布拉格反射光栅的量子发光外延片的衬底剥离；在剥离衬底后的量子发光外延片上选择性地等离子刻蚀形成与有源矩阵显示控制电路相对应的半导体发光量子层阵列；用介质填平表面，选择性介质等离子刻蚀形成对应于有源矩阵显示控制电路的金属电极阵列；再次用介质填平表面，并将表面平整；在平整后的表面镀上一层透明通用电极；在透明通用电极表面外延生长第二层分布式布拉格反射光栅作为顶部反射层，得到垂直腔面发射激光器阵列模块。采用上述方案，本发明提供了能够规模生产的高密度的垂直腔面发射激光器阵列模块的生产方法，可以规模生产垂直腔面发射激光器阵列模块，因具有垂直腔面发射激光器的特点，从表面出光无须像常规端面发射激光器那样必须在外延片解理封装后才能测试，由此可以实现在生产过程中进行测试，因此能够简化工艺，降低制作成本；可用于多种应用，包括光通信、3D地形感应、显示和打印等。
下面结合申请人的产品设计来说明一些具体的实施例，这些实施例可结合本发明各实施例或者单独实现，达到更好的技术效果，但不应被理解为对于所述垂直腔面发射激光器阵列模块的生产方法的具体限制，本发明所述垂直腔面发射激光器阵列模块的生产方法可以采用许多不同的实施形式来具体实现。例如，一种垂直腔面发射激光器阵列模块的生产方法，其包括下面步骤的部分或全部技术特征，也就是说，其包括下面的部分步骤或全部步骤。
例如，在目标晶圆衬底上外延生长p-n结量子发光薄膜层；优选的，所述目标晶圆包括蓝宝石晶圆、硅晶圆与氮化镓晶圆。例如，在蓝宝石晶圆衬底上外延生长p-n结量子发光薄膜层，又如，其中，所述蓝宝石晶圆可以由硅晶圆替换；依此类推。较好的是，所述蓝宝石晶圆也可以由氮化镓(GaN)晶圆替换。
例如，在p-n结量子发光薄膜层表面外延生长第一层分布式布拉格反射光栅作为垂直腔面发射激光器的底部反射层，得到带有第一层分布式布拉格反射光栅的量子发光外延片；优选的，所述p-n结量子发光薄膜层为半导体发光器件。优选的，所述p-n结量子发光薄膜层为电场致量子点发光器件；优选的，所述p-n结量子发光薄膜层为有机半导体发光器件；优选的，所述p-n结量子发光薄膜层为无机半导体发光器件；优选的，所述p-n结量子发光薄膜层为氮化镓(GaN)半导体发光器件；优选的，所述p-n结量子发光薄膜层为砷化镓(GaAs)半导体发光器件；优选的，所述p-n结量子发光薄膜层为磷化铟(InP)半导体发光器件；优选的，所述p-n结量子发光薄膜层为在蓝宝石衬底上外延生长的III-V族化合物半导体发光器件；优选的，所述p-n结量子发光薄膜层为在砷化镓衬底上外延生长的III-V族化合物半导体发光器件。较好的是，所述量子发光薄膜层为在蓝宝石衬底上用MBE或者MOCVD方式外延生长的III-V族化合物半导体发光器件；或者，所述量子发光薄膜层为在砷化镓衬底上用MBE或者MOCVD方式外延生长的III-V族化合物半导体发光器件。
较好的是，选择蓝色或绿色激光进行制作；例如，在目标晶圆衬底上外延生长p-n结量子发光薄膜层，以及在p-n结量子发光薄膜层表面外延生长第一层分布式布拉格反射光栅(DBR)作为垂直腔面发射激光器的底部反射层，得到带有第一层分布式布拉格反射光栅的量子发光外延片；其中，采用MOCVD进行III-V族的p-n结多层薄膜的外延生长，通过改变Al和In浓度，色谱从蓝色变为绿色，然后在p-GaN表面上沉积导电DBR多层薄膜，得到带有第一层分布式布拉格反射光栅的量子发光外延片。例如，采用硅衬底的带有第一层分布式布拉格反射光栅的量子发光外延片一个例子如图5所示，其中，目标晶圆为硅晶圆，目标晶圆衬底为硅晶圆衬底，其上具有第一层分布式布拉格反射光栅即为导电DBR多层膜111。又一个例子如图6所示，蓝宝石(Al2O3)衬底212上依次设有覆盖有2.5微米缓冲层的约30纳米的u-GaN成核层203、厚度小于1微米的n-GaN层108、厚度约为n-GaN层5倍的InGaN/GaN量子阱109、厚度约为30nm的p-AlGaN/GaN上设置的厚度约为100nm的P-GaN层110、导电DBR多层膜111，采用蓝宝石衬底的带有第一层分布式布拉格反射光栅的量子发光外延片在粘合之前翻转如图9所示。
例如，在硅晶圆衬底上制作具有脉冲宽度调制(PWM)的有源矩阵控制电路；具体的设计与制作方式可以采用集成电路的常规设计，也可以采用申请人前期提交的专利申请中的技术，本文为节省篇幅而从略。较好的是，准备CMOS背板控制晶圆例如SRAM驱动器CMOS晶圆，并且带有PWM像素驱动器，并为其设计像素电路。较好的是，在硅晶圆衬底上制作具有脉冲宽度调制的有源矩阵控制电路包括准备CMOS背板控制晶圆，其中，制造具有预定像素尺寸和间隙的CMOS背板控制晶片，进行化学机械抛光(CMP)使表面光滑，预清洁并去除残留的氧化物。一个例子中，在硅晶圆衬底上制作具有脉冲宽度调制的有源矩阵控制电路如图7所示，具有脉冲宽度调制的有源矩阵控制电路的硅晶圆衬底如图8所示，CMOS有源矩阵PWM阵列驱动器115上设有金属屏蔽层114、分隔电介质113、金属电极阵列112与保护电介质层102，其中，金属电极阵列112在表面显露成为矩阵，因此也可称为有源矩阵电极112A。
例如，将带有第一层分布式布拉格反射光栅的量子发光外延片粘合在有源矩阵显示控制电路上；较好的是，采用金属熔合方式，将带有第一层分布式布拉格反射光栅的量子发光外延片粘合在有源矩阵显示控制电路上；较好的是，采用金属共晶键合方式，将带有第一层分布式布拉格反射光栅的量子发光外延片粘合在有源矩阵显示控制电路上；由此可以实现超薄并且牢靠的粘合效果。较好的是，将带有第一层分布式布拉格反射光栅的量子发光外延片粘合在有源矩阵显示控制电路上之前，所述生产方法还包括步骤：在有源矩阵显示控制电路上沉积共晶金属薄膜，形成共融金属粘合层；也就是说，在有源矩阵电极上沉积共晶金属薄膜，形成共融金属粘合层；共晶金属薄膜用于通过金属键合或者金属熔融方式粘合带有第一层分布式布拉格反射光栅的量子发光外延片的第一层分布式布拉格反射光栅，即为共晶金属薄膜粘合导电DBR多层膜111，由此可以实现将带有第一层分布式布拉格反射光栅的量子发光外延片粘合在有源矩阵显示控制电路上。较好的是，沉积共晶金属薄膜包括：低能等离子体表面激活CMOS背板控制晶片，在CMOS背板的表面上沉积共晶中间层即共融金属粘合层。优选的，将带有第一层分布式布拉格反射光栅的量子发光外延片粘合在有源矩阵显示控制电路上之前，还包括步骤：对两个晶圆衬底表面进行清洁处理，及/或，在两个晶圆衬底表面进行等离子表面激活处理。例如，所述将带有DBR发射层的量子发光外延片粘合在有源矩阵显示控制电路上以前，预先在两个晶圆表面进行清洁处理；较好的，所述将带有DBR发射层的量子发光外延片粘合在有源矩阵显示控制电路上以前，预先在两个晶圆表面进行等离子表面激活处理。由此可以实现较好地将带有第一层分布式布拉格反射光栅的量子发光外延片粘合在有源矩阵显示控制电路上。申请人在前期做了大量工作和提出了专利申请，并在此基础上继续研发，对相关技术进行了改进，以获得垂直腔面发射激光器阵列模块。较好的是，将带有第一层分布式布拉格反射光栅的量子发光外延片粘合在有源矩阵显示控制电路上之前，还包括步骤：预清洁外延晶片；得到采用蓝宝石衬底的带有第一层分布式布拉格反射光栅的量子发光外延片在粘合之前翻转如图9所示。其中，预清洁外延晶片包括：预先清洁并去除导电DBR多层表面的残留氧化物，等离子体在真空中激活表面，将带有第一层分布式布拉格反射光栅的量子发光外延片翻转晶圆使得导电DBR多层膜111朝向CMOS背板控制晶圆。一个例子如图10所示，将图8所示实施例在有源矩阵电极上沉积共晶金属薄膜作为共融金属粘合层210；如图11所示，将图9所示实施例与图10所示实施例的进行粘合，由此可以实现将带有第一层分布式布拉格反射光栅的量子发光外延片粘合在有源矩阵显示控制电路上。
为了实现良好的粘合，粘合之前两个晶圆(亦可称为晶片)表面制备必须去除任何可能阻碍中间金属扩散到p+区域的污染和氧化膜；较好的是，将带有第一层分布式布拉格反射光栅的量子发光外延片粘合在有源矩阵显示控制电路上之前，所述生产方法还包括步骤：去除阻碍共融金属粘合层的中间金属扩散到p+区域的污染和氧化膜。例如，去除阻碍共融金属粘合层的中间金属扩散到p+区域的污染和氧化膜，包括：从AFM扫描估计CMOS背板晶片的均方根粗糙度约为1.5nm以确保两个晶圆表面光滑均匀，两个将要粘合的表面都经过10分钟的清理液进行酸处理，然后用去离子水清洗，高速旋转清洁；其中，清理液采用容积比为1:3的H2O2:H2SO4；并且，两个晶片都经过紫外-臭氧预清洁处理，以去除有机表面污染；在施加键合之前，对LED晶片即为带有第一层分布式布拉格反射光栅的量子发光外延片的p+表面进行典型的低能等离子体活化以增强共融金属粘合层的中间金属的扩散。
较好的是，所述粘合包括在真空或N2室中的共晶键合。例如，在真空或N2室中的共晶键合包括：沉积50nm的阻挡金属层，然后沉积300nm的共晶金属薄膜作为共融金属粘合层，在300℃下在键合晶片的两面施加压力1小时，将粘合的晶片退火至接近400℃的温度约1小时。粘合的晶片即为粘合在有源矩阵显示控制电路上的带有第一层分布式布拉格反射光栅的量子发光外延片。一个例子中，粘合的晶片如图11所示。较好的是，在真空或N2室中的共晶键合包括：通过使用具有薄钽(Ta)膜作为中间层的铜(Cu)膜将LED晶片(即为带有第一层分布式布拉格反射光栅的量子发光外延片)共晶键合到CMOS背板控制晶片(即为有源矩阵显示控制电路)上；例如，将50nm的钽(Ta)薄膜沉积在CMOS背板晶片的表面上，然后在真空室中的钽(Ta)层表面上沉积300nm的铜(Cu)薄膜，压力低过1×10-6Torr；将两个晶圆置于压力接近1×10-3Torr的真空室中或置于大气压氮(N2)环境中；将两个晶圆面对面对齐并夹在一起粘接卡盘上形成晶圆对；当晶圆对在300℃下完全接触1小时后，在键合晶片(即为晶圆对)的两面施加4000N的压力；将粘合的晶片退火至接近400℃的温度约1小时。或者，在真空或N2室中的共晶键合包括：通过使用具有薄的锡(Sn)膜作为中间层的铝(Al)膜将LED晶片共晶键合到CMOS背板控制晶片上；例如，将50nm的锡(Sn)薄膜沉积在CMOS背板晶片的表面上，然后在真空室中的锡(Sn)层表面上沉积300nm的铝(Al)薄膜，压力低过1×10- 6Torr；将两个晶圆置于压力接近1×10-3Torr的真空室中或置于大气压氮(N2)环境中，将两个晶圆面对面对齐并夹在一起粘接卡盘上；当晶圆对在300℃下完全接触1小时后，在键合晶片的两面施加0.25MPa的压力；将粘合的晶片退火至接近400℃的温度约1小时。或者，在真空或N2室中的共晶键合包括：另一种共晶结合也是通过将金蒸发并镀金到一个晶片上然后在粘合之前将金暴露于UV光以除去有机污染物来进行的，所述有机污染物阻止金表面与其所结合的第二晶片接触。例如，中间层使用金(Au)或银(Ag)薄膜的共晶键合-键合工艺开始于在每个待键合的晶片上沉积大约1μm厚的Au层和合适的Cr、Pt及/或Pd粘附层，随后将300埃的Ti粘合剂层，任选的扩散阻挡层和1400埃的Au/Au-Pt-Ti或Au-Ti电子束蒸发到IC晶片(即为有源矩阵显示控制电路)的表面上，在粘合区域上施加30psi压力5-10分钟，温度为200℃至350℃，Au-Si二元系统显示熔化温度从1100℃降至300℃。该Au-Si化合物充当焊料并从衬底消耗硅，其中，退火温度不宜太高，如超过400℃将导致IC晶片中集成电路的损坏。
例如，将带有第一层分布式布拉格反射光栅的量子发光外延片的衬底剥离；即为去除外延晶片衬底；优选的，去除外延晶片衬底包括：扫描激光激活基板的去除，去除热机械基材，机械抛光基材去除，CMP抛光以使n-GaN接触层变薄至200nm厚度，沉积薄膜介电孔径层如SiNx或SiOx。优选的，将带有第一层分布式布拉格反射光栅的量子发光外延片的衬底剥离之后，还包括步骤：将带有第一层分布式布拉格反射光栅的量子发光外延片的n电极层减薄例如从1μm减薄至200nm厚度。例如，将带有第一层分布式布拉格反射光栅的量子发光外延片的衬底剥离之后，并在剥离衬底后的量子发光外延片上选择性地等离子刻蚀形成与有源矩阵显示控制电路相对应的半导体发光量子层阵列之前，所述生产方法还包括步骤：将带有第一层分布式布拉格反射光栅的量子发光外延片的n电极层减薄。依此类推。例如，所述将带有DBR发射层的量子发光外延片的衬底剥离，然后将带有DBR发射层的量子发光外延片的n-电极层减薄。或者，将作为n-电极层的覆盖有2.5微米缓冲层的约30纳米的u-GaN成核层剥离并减薄n-GaN层即为n-电极层。较好的是，一并去除覆盖有2.5微米缓冲层的约30纳米的u-GaN成核层。如图12所示，将带有第一层分布式布拉格反射光栅的量子发光外延片的衬底剥离，请与图11相对比，可见覆盖有2.5微米缓冲层的约30纳米的u-GaN成核层203与蓝宝石(Al2O3)衬底212均被剥离。例如，对于蓝宝石衬底，由于蓝宝石是透明的并且GaN不透明，即吸收的GaN膜可以通过具有248nm波长和0.4-0.8J/cm2的功率范围的短脉冲KrF UV准分子激光器从蓝宝石衬底上剥离。即使非常短暂地将界面加热到1000℃以上，也会导致GaN分解成Ga，因其为一种低熔点金属，以及去除残留在界面处的氮。
例如，在剥离衬底后的量子发光外延片上选择性地等离子刻蚀形成与有源矩阵显示控制电路相对应的半导体发光量子层阵列；优选的，所述选择性地等离子刻蚀为有方向性的等离子体化学气相刻蚀。优选的，选择性介质等离子刻蚀形成对应于有源矩阵显示控制电路的金属电极阵列，包括：沉淀防金属扩散壁形成阻隔空心柱，沉淀填入导电金属形成铆钉式电极阵列。例如，所述填入导电金属形成铆钉式电极阵列为首先沉淀防金属扩散壁形成阻隔空心柱，然后沉淀填入导电金属形成铆钉式电极阵列。
例如，用介质填平表面，选择性介质等离子刻蚀形成对应于有源矩阵显示控制电路的金属电极阵列；优选的，所述用介质填平表面，包括：采用化学气相沉积或者物理气相沉积方式，沉积氧化硅或者氮化硅作为透明介质填平表面。例如，所述用介质全面填平为采用化学气相沉积(CVD)方法或者物理气相沉积(PVD)方法沉积氧化硅(SiOx)或者氮化硅(SiNx)透明介质。例如，再次用介质填平表面，并将表面平整；优选的，所述将表面平整，包括：采用化学机械研磨方式，磨平表面；例如，采用化学机械研磨(CMP)方法磨平具有所述金属电极阵列的未完成垂直腔面发射激光器阵列模块的表面；或者，采用无方向性等离子化学腐蚀(None directional Etch)方式，刻蚀表面使其平整化。较好的是，用介质填平表面，选择性介质等离子刻蚀形成对应于有源矩阵显示控制电路的金属电极阵列，以及再次用介质填平表面，并将表面平整，此二步骤可统合称为图案化和平面化，其中，选择性地等离子体增强电介质蚀刻以形成DBR阵列，随后选择性地进行等离子体增强金属蚀刻，介电填充间隙和CMP平面化以形成光滑的表面。一个例子如图13所示，在厚度小于1微米的n-GaN层108上介电填充间隙形成电介质间隔即为第一电介质间隔101；其中第一电介质间隔仅仅是为了描述方便而作的命名，其为电介质所形成的间隔，也可称为电介质间隔。较好的是，选择性介质等离子刻蚀形成对应于有源矩阵显示控制电路的金属电极阵列，包括制造介电孔；或者，用介质填平表面，选择性介质等离子刻蚀形成对应于有源矩阵显示控制电路的金属电极阵列之后，以及再次用介质填平表面，并将表面平整之前，所述生产方法还包括：制造介电孔；例如，制造介电孔包括：等离子蚀刻n-GaN电极，形成部分圆柱形柱；并且再次用介质填平表面，并将表面平整，包括：电介质填充圆柱之间的间隙；CMP平面化以形成平坦表面。介电孔亦可称为介电孔径，一个例子如图14所示，在厚度小于1微米的n-GaN层108上制造介电孔107。
例如，在平整后的表面镀上一层透明通用电极，即为在平整后的表面设置或沉积一层透明通用电极；透明通用电极也可以称为透明共用电极或者共用透明电极，半导体发光量子层阵列及第一层分布式布拉格反射光栅的光线通过透明通用电极出射。较好的是，透明通用电极为ITO。例如，在平整后的表面镀上一层透明通用电极，即为采用ITO沉积以形成公共电极；例如，采用ITO沉积以形成公共电极包括：选择性地介电蚀刻以打开孔径阵列，沉积ITO的透明金属薄膜以形成公共电极。
例如，在透明通用电极表面外延生长第二层分布式布拉格反射光栅作为顶部反射层，得到垂直腔面发射激光器阵列模块。也就是说，在透明通用电极表面沉积第二层分布式布拉格反射光栅作为顶部反射层，得到垂直腔面发射激光器阵列模块。一个例子如图15所示，在未完成的垂直腔面发射激光器阵列模块顶部沉积一层透明通用电极106。又如，如图16所示，在ITO透明金属电极即为透明通用电极106表面上沉积DBR多层薄膜105；又如，继续进行介电层保护和BGA封装如图17与图18所示，使其具有保护电介质层102与球栅阵列显示模块封装116。
具体地，如图17所示，垂直腔面发射激光器阵列模块射出光线的方向的顶层是保护电介质层102，也可以称为DBR多层薄膜顶部的保护电介质层，该保护电介质层在另一方向位置的标号为104，也就是说保护电介质层102与DBR多层薄膜顶部的保护电介质层104是同一结构的两个位置的指示，以便于理解图17所示垂直腔面发射激光器阵列模块；同样的，垂直腔面发射激光器阵列模块还设有电介质间隔，包括第一电介质间隔101与第二电介质间隔103等；垂直腔面发射激光器阵列模块还具有DBR多层薄膜105、透明ITO薄膜电极106、介电孔径107、厚度小于1微米的n-GaN层108、厚度约为n-GaN层5倍的InGaN/GaN量子阱109、厚度约为30nm的p-AlGaN/GaN上设置的厚度约为100nm的P-GaN层110、导电DBR多层膜111、金属电极阵列112、分隔电介质113、金属屏蔽层114、CMOS有源矩阵PWM阵列驱动器115与球栅阵列显示模块封装116等。由此可以实现通过将部分完成的垂直腔表面发射激光器(VCSEL)阵列晶片共晶键合到CMOS背板控制晶片上来制造高密度有源矩阵微激光器阵列；最后，球栅阵列(BGA)封装用于紧凑的外形封装，形成高效的高密度有源矩阵激光器阵列。该有源矩阵激光器阵列设备可用于多种应用，包括光通信、3D地形感应、显示和打印等。优选的，如图18所示，垂直腔面发射激光器阵列模块最上层是保护电介质层102，然后是DBR多层薄膜105、透明ITO薄膜电极106、介电孔径107、厚度小于1微米的n-GaN层108、厚度约为n-GaN层5倍的InGaN/GaN量子阱109、厚度约为30nm的p-AlGaN/GaN上设置的厚度约为100nm的P-GaN层110、导电DBR多层膜111、金属电极阵列112、分隔电极质113、金属屏蔽层114、CMOS有源矩阵PWM阵列驱动器115与球栅阵列显示模块封装116等，中间设有多个电介质间隔101。
在上述各实施例的基础上，又一个例子如图2至图4所示，详细说明如下。如图2所示，带有第一层分布式布拉格反射光栅的量子发光外延片即为外延晶圆201，具有蓝宝石或者硅衬底204及依次设于其上的覆盖有2.5微米缓冲层的约30纳米的u-GaN成核层203、厚度约为2微米的n-GaN层202、厚度约为n-GaN层5倍的InGaN/GaN量子阱109、厚度约为30nm的p-AlGaN/GaN上设置的厚度约为100nm的P-GaN层110与导电DBR多层膜111；在硅晶圆衬底上制作具有脉冲宽度调制的有源矩阵控制电路(简称有源矩阵控制电路)即为有源矩阵显示驱动晶圆209，具有Silicon Substrates有源矩阵显示驱动晶圆衬底208及设于其上的Via/Capacitors(电容)207、Transistor Gates(晶体管门极)206、Drains/Sources(漏/源极)205、金属屏蔽层114、金属电极阵列112及间隔金属电极阵列112的分隔电极质113；外延晶圆201进行翻转，有源矩阵显示驱动晶圆209上沉积共晶金属薄膜形成共融金属粘合层210；两者相粘合得到粘合后的晶圆211如图3所示，粘合后的晶圆211进行基板剥离即为衬底剥离，将带有第一层分布式布拉格反射光栅的量子发光外延片的衬底剥离，如图4所示，然后将厚度约为2微米的n-GaN层202减薄至厚度小于1微米的n-GaN层108，进行图案/电介质填充/抛光/制造介电孔，形成多个第一电介质间隔101与多个第二电介质间隔103(两者仅仅是名称上的区别，实质相同，只是为了便于理解说明书附图而命名)，再沉积一层透明通用电极106，并在透明通用电极106表面上沉积DBR多层薄膜105；还在DBR多层薄膜105上设置保护电介质层102。最后还可进行封装处理。
又一个例子是，所述生产方法包括以下步骤：在一片蓝宝石晶圆表面上采用MOCVD外延生长p-n结量子发光薄膜层，然后在表面外延生长分布式布拉格反射光栅作为垂直腔面发射激光器的底部反射层；在一片硅晶圆衬底上采用集成电路工艺制作具有脉冲宽度调制的有源矩阵控制电路；将带有DBR发射层的量子发光外延片粘合在有源矩阵显示控制电路上；将带有DBR发射层的量子发光外延片的衬底剥离；在剥离后的芯片上选择性地等离子刻蚀形成与有源矩阵显示控制电路相对应的2维发光阵列；用介质填平表面，选择性介质等离子刻蚀形成对应于有源矩阵显示控制电路电极的圆柱形阵列，用介质再次填平表面，将表面平整；在平整后的表面镀一层透明通用电极；在透明通用电极表面外延生长分布式布拉格反射光栅作为顶部部反射层从而形成有源垂直腔面发射激光器阵列。
优选的，所述垂直腔面发射激光器阵列模块包括有源矩阵显示控制电路衬底作为第一层；优选的，所述有源矩阵显示控制电路采用脉冲宽度调制方式控制所述半导体发光量子层阵列的发光亮度。例如，所述第一层的有源矩阵显示控制电路采用脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation，PWM)方式精确控制所述半导体发光量子层阵列的发光亮度或者灰阶度。灰阶度是亮度的表征，通常是指亮度的明暗程度。
优选的，所述垂直腔面发射激光器阵列模块包括第一分布式布拉格反射光栅(Distributed Bragg Reflector，DBR)形成反射镜阵列作为第二层；也就是说，第二层为反射镜阵列，该反射镜阵列采用第一分布式布拉格反射光栅形成，依此类推。优选的，所述第一分布式布拉格反射光栅为导电材料。优选的，所述第一分布式布拉格反射光栅为金属导体材料或薄膜导体材料。第一分布式布拉格反射光栅可以是透明的，也可以是非透明的，但是后面的第二分布式布拉格反射光栅则通常应选用透明的导电材料。例如，薄膜导体材料为真空淀积的金薄膜导体材料，其厚度为200至500nm，此时，金薄膜导体材料的片电阻率大约为0.025至0.050Ω。
优选的，所述垂直腔面发射激光器阵列模块包括半导体发光量子层阵列作为第三层；优选的，所述半导体发光量子层阵列为III-V族化合物半导体发光器件。优选的，所述发光器件为电场致量子点发光器件；优选的，所述发光器件为有机半导体发光器件；优选的，所述发光器件为无机半导体发光器件；优选的，所述发光器件为氮化镓半导体发光器件；优选的，所述发光器件为砷化镓半导体发光器件；或者，优选的，所述发光器件为磷化铟半导体发光器件。第三层的半导体发光量子层阵列非常关键，优选的，所述有源矩阵显示控制电路衬底中的有源矩阵显示控制电路通过金属电极阵列驱动半导体发光量子层阵列发光，用于传输二维矩阵激光数字信息以及激光图像。也就是说，有源矩阵显示控制电路通过每一个垂直腔面发射激光器底部的金属电极阵列来控制驱动每一个垂直腔面发射激光器来传输2维矩阵激光数字信息，以及激光图像。
优选的，所述垂直腔面发射激光器阵列模块包括限制电流分布的光圈孔径阵列作为第四层；优选的，所述光圈孔径阵列为非导体孔径阵列；优选的，所述光圈孔径阵列为绝缘体孔径阵列；或者，优选的，所述光圈孔径阵列为半导体孔径阵列。值得指出的是，对于光圈孔径阵列为非导体孔径阵列、绝缘体孔径阵列或半导体孔径阵列时，第三层的半导体发光量子层阵列与第五层的第二分布式布拉格反射光栅形成反射镜阵列在结构与厚度方面可以适应匹配设计。
优选的，所述垂直腔面发射激光器阵列模块包括第二分布式布拉格反射光栅形成反射镜阵列作为第五层；值得指出的是，第二分布式布拉格反射光栅与第一分布式布拉格反射光栅仅仅是名称相异以便于分别描述，两者的结构与材质等可以相同或相异设置。较好的是，第二分布式布拉格反射光栅与第一分布式布拉格反射光栅的反射线路交错设置或者对应设置，根据不同的设计要求而定，以形成单次反射或多次反射的光路。考虑到第三层的半导体发光量子层阵列的发光效果，较好的是，第二分布式布拉格反射光栅为透明层，而第一分布式布拉格反射光栅基本上无此限制，或者第一分布式布拉格反射光栅亦为透明层。优选的，所述第二分布式布拉格反射光栅为透明导电材料；或者，所述第二分布式布拉格反射光栅为氧化铟锡(ITO)薄膜。由此可以实现垂直腔面发射激光器阵列模块具有垂直腔面发射激光器的特点，所以与光纤的耦合效率较高以及降低器件功耗和热能耗，并且从表面出光无须像常规端面发射激光器那样必须在外延片解理封装后才能测试，由此可以实现在生产过程中进行测试，因此能够简化工艺，降低制作成本。
各实施例中，半导体发光量子层阵列发光的光线从第五层的第二分布式布拉格反射光栅形成反射镜阵列射出，也就是说，从下往上分别是第一层的有源矩阵显示控制电路衬底、第二层的第一分布式布拉格反射光栅形成反射镜阵列、第三层的半导体发光量子层阵列、第四层的限制电流分布的光圈孔径阵列以及第五层的第二分布式布拉格反射光栅形成反射镜阵列。
较好的是，垂直腔面发射激光器阵列模块还包括保护电介质层作为第六层，也就是说，在第五层的第二分布式布拉格反射光栅形成反射镜阵列之上还设有第六层的保护电介质层，依此类推。
较好的是，垂直腔面发射激光器阵列模块还包括封装结构，例如垂直腔面发射激光器阵列模块还包括BGA封装结构等。
较好的是，通过设置第一分布式布拉格反射光栅和/或第二分布式布拉格反射光栅的薄膜晶格系数以控制所述垂直腔面发射激光器阵列模块的发光波长。也就是说，所述垂直腔面发射激光器发出激光的波长可以采用改变所述第二层的第一分布式布拉格反射光栅以及第五层的第二分布式布拉格反射光栅的薄膜晶格系数来控制。由此可以实现所述垂直腔面发射激光器阵列模块的发光波长的有效控制，使得所述垂直腔面发射激光器阵列模块可用于各种技术领域的具体产品中，可用于多种应用，包括光通信、3D地形感应、显示和打印等，还具有产品结构稳定的优点。
进一步地，本发明的实施例还包括，上述各实施例的各技术特征，相互组合形成的垂直腔面发射激光器阵列模块的生产方法。
需要说明的是，上述各技术特征继续相互组合，形成未在上面列举的各种实施例，均视为本发明说明书记载的范围；并且，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种垂直腔面发射激光器阵列模块的生产方法，其特征在于，包括步骤：
在目标晶圆衬底上外延生长p-n结量子发光薄膜层；
在p-n结量子发光薄膜层表面外延生长第一层分布式布拉格反射光栅作为垂直腔面发射激光器的底部反射层，得到带有第一层分布式布拉格反射光栅的量子发光外延片；
在硅晶圆衬底上制作具有脉冲宽度调制的有源矩阵控制电路；
将带有第一层分布式布拉格反射光栅的量子发光外延片粘合在有源矩阵显示控制电路上；
将带有第一层分布式布拉格反射光栅的量子发光外延片的衬底剥离；
在剥离衬底后的量子发光外延片上选择性地等离子刻蚀形成与有源矩阵显示控制电路相对应的半导体发光量子层阵列；
用介质填平表面，选择性介质等离子刻蚀形成对应于有源矩阵显示控制电路的金属电极阵列；
再次用介质填平表面，并将表面平整；
在平整后的表面镀上一层透明通用电极；
在透明通用电极表面外延生长第二层分布式布拉格反射光栅作为顶部反射层，得到垂直腔面发射激光器阵列模块。
2.根据权利要求1所述生产方法，其特征在于，所述目标晶圆包括蓝宝石晶圆、硅晶圆与氮化镓晶圆。
3.根据权利要求1所述生产方法，其特征在于，所述p-n结量子发光薄膜层为半导体发光器件。
4.根据权利要求3所述生产方法，其特征在于，所述p-n结量子发光薄膜层为电场致量子点发光器件、有机半导体发光器件、无机半导体发光器件、氮化镓半导体发光器件、砷化镓半导体发光器件、磷化铟半导体发光器件、在蓝宝石衬底上外延生长的III-V族化合物半导体发光器件、在砷化镓衬底上外延生长的III-V族化合物半导体发光器件。
5.根据权利要求1所述生产方法，其特征在于，将带有第一层分布式布拉格反射光栅的量子发光外延片粘合在有源矩阵显示控制电路上之前，还包括步骤：对两个晶圆衬底表面进行清洁处理，及/或，在两个晶圆衬底表面进行等离子表面激活处理。
6.根据权利要求1所述生产方法，其特征在于，将带有第一层分布式布拉格反射光栅的量子发光外延片的衬底剥离之后，还包括步骤：将带有第一层分布式布拉格反射光栅的量子发光外延片的n电极层减薄。
7.根据权利要求1所述生产方法，其特征在于，所述选择性地等离子刻蚀为有方向性的等离子体化学气相刻蚀。
8.根据权利要求1所述生产方法，其特征在于，选择性介质等离子刻蚀形成对应于有源矩阵显示控制电路的金属电极阵列，包括：沉淀防金属扩散壁形成阻隔空心柱，沉淀填入导电金属形成铆钉式电极阵列。
9.根据权利要求1所述生产方法，其特征在于，所述用介质填平表面，包括：采用化学气相沉积或者物理气相沉积方式，沉积氧化硅或者氮化硅作为透明介质填平表面。
10.根据权利要求1所述生产方法，其特征在于，所述将表面平整，包括：采用化学机械研磨方式，磨平表面；或者，采用无方向性等离子化学腐蚀方式，刻蚀表面使其平整化。
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