CN104704643B - 陶瓷转换元件、光电子半导体元件和用于制造陶瓷转换元件的方法 - Google Patents
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Abstract
说明了一种陶瓷转换元件（1），具有以下特征：‑具有第一发光材料（3）的第一陶瓷层（2），所述第一发光材料将第一波长范围的电磁辐射变换成第二波长范围的电磁辐射，以及‑具有第二发光材料（5）的第二陶瓷层（4）,所述第二发光材料将第一波长范围的电磁辐射变换成第三波长范围的电磁辐射，其中‑第一发光材料（3）和第二发光材料（5）基于至少一种含氧的无机化合物并且彼此不同。还说明了一种具有陶瓷转换元件的光电子器件和一种用于制造陶瓷转换元件的方法。
Description
技术领域
说明了一种陶瓷转换元件、一种带有陶瓷转换元件的光电子半导体器件和一种用于制造陶瓷转换元件的方法。
背景技术
陶瓷转换元件例如在文献DE 10 2011 010 118、DE 10 2011 113 962和DE 102011 116 229中被描述。文献DE 100 65 381示例性地描述了一种基于树脂的被涂敷的转换元件。
发明内容
任务是说明一种带有两种不同发光材料的陶瓷转换元件，其可以简化地被制造。此外，还应当说明一种带有陶瓷转换元件的光电子半导体器件以及一种用于制造这种陶瓷转换元件的方法。
这些任务通过具有专利权利要求1的特征的陶瓷转换元件、通过具有专利权利要求11的特征的光电子半导体器件和通过具有专利权利要求14的步骤的方法来解决。
陶瓷转换元件、光电子半导体器件和用于制造陶瓷转换元件的方法的有利的实施方式和改进方案分别在从属权利要求中说明。
陶瓷转换元件尤其是包括具有第一发光材料的第一陶瓷层，所述第一发光材料将第一波长范围的电磁辐射变换成第二波长范围的电磁辐射。此外，陶瓷转换元件包括具有第二发光材料的第二陶瓷层,所述第二发光材料将第一波长范围的电磁辐射变换成第三波长范围的电磁辐射。第一和第二发光材料在此彼此不同并且分别基于至少一种含氧的无机化合物。
此外,第一波长范围、第二波长范围和第三波长范围也彼此不同地构造，其中不排除：这些波长范围可以彼此重叠。
特别优选的是，第一陶瓷层完全由陶瓷构成。第二陶瓷层也尤其优选地完全由陶瓷构成。
特别优选的是，整个陶瓷转换元件完全由陶瓷材料构成。此外，当前陶瓷转换元件有利地优选是单片转换元件，也即转换元件的陶瓷层材料配合地并且机械稳定无接合层地相互连接。例如相比于使用具有分别不同的发光材料的各个转换元件，这提供了简化操作的优点。
尤其优选的是，第一陶瓷层的主伸展平面和第二陶瓷层的主伸展平面平行于陶瓷转换元件的主平面来布置。换句话说，第一陶瓷层和第二陶瓷层构成层序列，其中堆叠方向垂直于陶瓷转换元件的主平面。
按照陶瓷转换元件的一种实施方式，第一陶瓷层和第二陶瓷层构造共同的界面。换句话说，第一陶瓷层和第二陶瓷层可以相互直接接触地布置。
特别优选的是，第一发光材料和第二发光材料是含氧的石榴石发光材料。例如，第一发光材料和第二发光材料来自发光材料族其中Ln表示下面的元素中的至少之一：镥、钇、钪、钆、铽。
特别优选的是，第一发光材料从下面的组中选择： ，并且第二发光材料从下面的组中选择： 。
第一陶瓷层优选地具有大于等于50μm和小于等于300μm之间的厚度。特别优选的是，第一陶瓷层具有大于等于80μm和小于等于150μm之间的厚度。
第二陶瓷层特别优选地具有大于等于30μm和小于等于100μm之间的厚度。
整个陶瓷转换元件优选地具有大于等于80μm和小于等于250μm之间的厚度。
按照陶瓷转换元件的一种实施方式，在第一陶瓷层和第二陶瓷层之间布置有第三陶瓷层，其具有第三发光材料，该第三发光材料将第一波长范围的电磁辐射变换成第四波长范围的电磁辐射。在此，第三发光材料特别优选地基于至少一种含氧的无机化合物。第四波长范围此外特别优选地不同于第一、第二和第三波长范围，其中不排除：第四波长范围与其他波长范围之一重叠。
特别优选地，第一陶瓷层没有第二发光材料并且没有第三发光材料。同样，第二陶瓷层特别优选地没有第一发光材料并且没有第三发光材料。第三陶瓷层也优选地没有第一发光材料并且没有第二发光材料。然而在此不排除：可能存在以分别其他层的发光材料对陶瓷层的污染，例如由于在制造过程中的公差。换句话说，转换元件的各种发光材料特别优选地在空间上彼此分离地布置在不同的层中，只要这在技术上能做到。以这种方式和方法，已经转换的辐射通过其他发光材料的再吸收可以有利地至少被减少。
特别优选的是，第一波长范围具有蓝光或者由蓝光构成。第二波长范围特别优选地具有黄光和/或红光或者由黄光和/或红光构成。第三波长范围特别优选地具有绿光或者由绿光构成。这样的转换元件通常适于与放射蓝光的光源一起放射具有蓝色、黄色或黄红以及绿色辐射分量的混合色辐射。包含第一波长范围中的蓝光分量、第二波长范围中的黄光或黄红光分量以及第三波长范围中的绿光分量的混合色辐射通常有利地具有比较宽的光谱，所述光谱特别适于用作相机中的闪光灯。
如果陶瓷转换元件具有第三陶瓷层，则第一波长范围优选地具有蓝光或者由蓝光构成。第二波长范围特别优选地具有黄红光或者由黄红光构成。第三波长范围特别优选地具有绿光或者由绿光构成。第四波长范围特别优选地具有黄光或者由黄光构成。
第三发光材料优选地又选自与第一发光材料和第二发光材料相同的发光材料族。特别优选的是，第三发光材料同样选自发光材料族，其中Ln表示下面的元素中的至少之一：镥、钇、钪、钆、铽。第三发光材料例如是。
陶瓷转换元件特别优选地被设置用于使用在光电子半导体器件、如发光二极管中。
光电子半导体器件尤其是包括半导体本体，其在运行中由辐射出射面放射第一波长范围的电磁辐射。此外，光电子半导体器件包括陶瓷转换元件，该陶瓷转换元件将第一波长范围中的电磁辐射至少部分地变换成第二波长范围和第三波长范围中的辐射，使得光电子半导体器件放射第一波长范围、第二波长范围和第三波长范围的电磁辐射。
为此，陶瓷转换元件特别优选地布置在半导体本体的光路中。陶瓷转换元件例如可以与半导体本体的辐射出射面直接接触地布置。以这种方式和方法，尤其是在半导体器件运行中，转换元件的特别良好的散热是可以的。陶瓷转换元件可以例如利用硅树脂被粘贴到辐射出射面上。
陶瓷转换元件特别优选地被构造为，使得其将半导体本体的电磁辐射仅仅部分地变换成第二波长范围中的辐射和第三波长范围中的辐射，而由该半导体本体放射的第一波长范围的电磁辐射的一定部分未经转换地穿过陶瓷转换元件。以该方式和方法，光电子半导体器件可以放射混合色辐射，该混合色辐射具有第一波长范围的辐射、第二波长范围的辐射和第三波长范围的辐射或者由第一波长范围、第二波长范围和第三波长范围的辐射组成。
特别优选地，混合色辐射具有在CIE标准色板的白色、尤其是中性白色范围中的色坐标。
特别优选的是，陶瓷转换元件被布置为，使得陶瓷层指向半导体本体的辐射出射面，该半导体本体的发光材料将第一波长范围的辐射变换成具有最大波长的辐射。换句话说，具有将第一波长范围的光变换成最长波长的光的发光材料的陶瓷层被布置为，使得其指向半导体本体并且该半导体本体的光首先穿过该陶瓷层。以这种方式和方法，可以至少减少已经变换的光通过其他发光材料之一的再吸收。
如果陶瓷转换元件包括多于两个具有不同发光材料的陶瓷层，则这些层特别优选地被布置为，使得陶瓷层将第一波长范围的辐射分别转换到其中的波长范围随着离半导体本体的距离的增加而包含更小的波长。
用于制造陶瓷转换元件的方法特别优选地包含下面的步骤：
- 提供具有第一发光材料的第一生膜（Gruenfolie），该第一发光材料适于将第一波长范围的电磁辐射变换成第二波长范围的电磁辐射，
- 提供具有第二发光材料的第二生膜，该第二发光材料适于将第一波长范围的电磁辐射变换成第三波长范围的电磁辐射，
- 将第一生膜与第二生膜层压，以及
- 对具有第一生膜和第二生膜的层复合体烧结，使得形成如已经描述的那样的陶瓷转换元件。
特别优选地，在唯一的烧结步骤中进行层复合体的烧结。由此，简化了陶瓷转换元件的制造。
在此，相应的生膜又可以由多个彼此被层压的生膜构建。以这种方式和方法能够产生较厚的陶瓷层。
通常，为了制造生膜，将相应的发光材料以颗粒形式引入到有机基体材料中，该有机基体材料被压延到生膜中。用于制造陶瓷转换元件的方法例如在文献DE 10 2012 104274中被描述，其公开内容通过引用被并入本文。
生膜优选地具有大于等于20μm和小于等于50μm之间的厚度。
在具有第一生膜和第二生膜的层复合体的烧结过程中，有机基体材料特别优选地被完全灰化。
陶瓷转换元件尤其是基于如下思想：从当前优选含氧的共同的发光材料族中选择第一发光材料和第二发光材料。以这种方式和方法，能够实现：共同地烧结两种不同的发光材料而不会由于为烧结所需的高温引起这两种发光材料的退化。该问题尤其是通常在将氮化物的发光材料（例如用于产生红光）与含氧化物的发光材料（例如用于产生黄光）结合时出现。发光材料的这样的结合例如可以被用于，在利用发射蓝光的半导体本体进行激励时产生白光。
此外，通过使用不同的、然而全部基于含氧的无机化合物的发光材料，可以有利地将具有所述发光材料的陶瓷层直接相互接触地布置。
附图说明
本发明的其他的有利的实施方式和改进方案从下面结合附图描述的实施例得出。
图1至3示出了按照各一个实施例的陶瓷转换元件的示意性剖视图。
图4示出了按照一个实施例的光电子半导体器件的示意性剖视图。
借助图5至9描述了用于制造陶瓷转换元件的方法的实施例。
图10示意性示出了常规光电子半导体器件的放射谱（曲线A）和按照图4的光电子器件的放射谱（曲线B）。
相同的、同样的或者作用相同的元件在这些图中设置有同样的附图标记。这些图和在图中所示的元件的相互间的大小关系不应视为按照比例的。更确切地说，各个元件、尤其是层厚为了更好的可视性和/或为了更好的理解而被夸大地示出。
具体实施方式
按照图1的实施例的陶瓷转换元件1包括具有第一发光材料3的第一陶瓷层2。第一发光材料3适于将第一波长范围中的蓝光变换成黄光。换句话说，在按照图1的该实施例中第二波长范围具有黄光。第一发光材料3例如是。
第二陶瓷层4与第一陶瓷层2直接接触地布置。第二陶瓷层4具有第二发光材料5，其适于将第一波长范围中的蓝光变换为绿光。第二发光材料5例如是。
在按照图1的实施例的陶瓷转换元件1中，不仅第一陶瓷层2而且第二陶瓷层4完全由陶瓷构成并且相互直接接触地布置，使得第一陶瓷层2和第二陶瓷层4构造共同的界面。
按照图1的陶瓷转换元件1单片地构造，也即第一陶瓷层2和第二陶瓷层4例如借助烧结过程机械稳定、材料配合并且无单独的接合层地相互连接。陶瓷转换元件1特别优选地由第一陶瓷层2和第二陶瓷层4构成。
陶瓷转换元件1的陶瓷层2、4包括两个不同的发光材料3、5，但是这两者基于含氧的无机化合物并且选自共同的发光材料族。
按照图2的实施例的陶瓷转换元件1同样包括具有两种不同发光材料3、5的两个陶瓷层2、4。与按照图1的实施例的陶瓷转换元件1不同，第一陶瓷层2然而具有第一发光材料3，该第一发光材料3适于将第一波长范围的蓝光变换为红黄光。第一发光材料3例如为。在其他方面，按照图2的陶瓷转换元件1被构造得与按照图1的陶瓷转换元件1一样。
按照图3的实施例的陶瓷转换元件1与按照图1和2的陶瓷转换元件1的区别在于具有三个陶瓷层。第一陶瓷层2具有第一发光材料3，该第一发光材料3适于将第一波长范围的蓝光变换为淡黄至红光。第一发光材料3例如为。
第二陶瓷层4具有第二发光材料5，其适于将第一波长范围的蓝光变换为第二波长范围的绿光。第二发光材料5例如是。
在第一陶瓷层2和第二陶瓷层4之间布置有第三陶瓷层6。第三陶瓷层6具有第三发光材料7，其适于将第一波长范围的辐射变换为第三波长范围中的辐射。在本实施例中，第三波长范围包括黄光。第三发光材料7例如是。
三个陶瓷层2、4、6分别相互直接接触地布置。陶瓷转换元件1特别优选地由三个陶瓷层2、4、6构成。
陶瓷转换元件1被设置用于如此布置，使得第一波长范围的辐射首先穿过第一陶瓷层2，然后穿过第二陶瓷层4，并且然后穿过第三陶瓷层6。以这种方式和方法，第一波长范围的辐射部分地首先被变换为红黄光，然后部分地被变换为黄光并且最后部分地被变换成绿光。换句话说，这些陶瓷层2、4、6被布置为，使得陶瓷层2、4、6分别将第一波长范围的辐射转换到其中的波长范围随着离光源的距离的增加而包含更小的波长。
按照图4的实施例的光电子半导体器件具有带有凹部9的器件壳体8。半导体本体10被安装在器件壳体8的底部上，半导体本体在前侧通过接合线11被电接触。
半导体本体10适于在运行中放射第一波长范围的电磁辐射，其由辐射出射面12发射。第一波长范围当前由蓝色辐射组成。
如已经借助图1或图2所描述的陶瓷转换元件1被施加在半导体本体10的辐射出射面12上。也可以的是：例如按照图3的另一转换元件1被布置在辐射出射面12上。
由半导体本体10的辐射出射面12放射的第一波长范围的蓝光穿过陶瓷转换元件1。在此，蓝色辐射的一部分通过第一陶瓷层2的第一发光材料3被变换成黄色或红黄光。此后，蓝色辐射穿过第二陶瓷层4并且由第二发光材料5部分地被变换为绿光。半导体本体10的蓝光的剩余部分未经转换地穿过转换元件1。以这种方式和方法，按照图4的实施例的光电子半导体器件辐射出混合色的、白色辐射，其包括第一波长范围的蓝色辐射、第二波长范围的红黄辐射和第三波长范围的绿色辐射并且具有在白色范围中的色坐标。
器件壳体8的凹部9当前还用浇注料13填充，浇注料13包围半导体本体10并且保护半导体本体。
在按照图5至9的实施例的方法中，在第一步骤中制造用于生膜的基础材料14（未示出）。为此，将颗粒形式的无机的第一发光材料3引入到有机基体材料中。基础材料14于是被压延到生膜15中（图5）。以相同的方式和方法，制造带有第二发光材料5的另一生膜16（未示出）。
现在准备好了第一生膜15和第二生膜（图6）。第一生膜15具有第一发光材料3，其适于将第一波长范围的电磁辐射变换成第二波长范围的电磁辐射。第二生膜16包括第二发光材料5，其适于将第一波长范围的电磁辐射变换成第三波长范围的电磁辐射。
在下一步骤中，这两个生膜15、16彼此重叠地被层压（图7）。两个生膜15、16在此直接相互接触。最后，将具有第一生膜15和第二生膜16的层序列烧结，使得形成板状陶瓷元件17。
于是，板状陶瓷元件17在另外的步骤中沿着多个分离线18被分割成各个陶瓷转换元件1（图8）。现在多个陶瓷转换元件1可供使用（图9），如其例如借助图1和2已经描述的那样。
为了产生具有三个不同陶瓷层2、4、6的陶瓷转换元件1，类似地提供三个不同生膜，将其相互层压并且烧结。
在图10中实线的曲线A示出了根据波长λ的相对强度I，其由常规的光电子半导体器件放射，在所述光电子半导体器件中在浇注料13中包含颗粒形式的第一发光材料3和第二发光材料8。第一发光材料3是，并且第二发光材料5是。
此外，图10示出了根据波长λ的相对强度I，其由以下光电子半导体器件放射，所述光电子半导体器件包括如借助图1已经描述的转换元件1（曲线B，虚线）。在此，第一发光材料3和第二发光材料5位置上相互分离地布置在两个不同的陶瓷层2、4中。第一发光材料3又是，并且第二发光材料5同样是。两个曲线的比较表明：通过将两种发光材料3、5布置在两个分离的陶瓷层2、4中可以改善转换效率并且此外来自确定波长范围的辐射由于再吸收导致的损失较小。
本申请要求德国申请DE 10 2012 109 650.3的优先权，其公开内容通过参考被并入本文。
本发明不通过借助实施例的描述而被局限于其上。更确切地说，本发明包括任意新的特征以及特征的任意组合，这尤其是包括在专利权利要求中的特征的任意组合，即使所述特征或所述组合本身没有明确地在专利权利要求或实施例中被说明。
Claims (8)
1.一种陶瓷转换元件（1），具有：
- 具有第一发光材料（3）的第一陶瓷层（2），所述第一发光材料将第一波长范围的电磁辐射变换成第二波长范围的电磁辐射，以及
- 具有第二发光材料（5）的第二陶瓷层（4）,所述第二发光材料将第一波长范围的电磁辐射变换成第三波长范围的电磁辐射，其中
- 所述第一发光材料（3）从下面的组中选择：，并且所述第二发光材料（5）是Sc3Al5O12:Ce3+，
-所述第一陶瓷层（2）具有大于等于50μm和小于等于300μm之间的厚度，
-所述第二陶瓷层（4）具有大于等于30μm和小于等于100μm之间的厚度，
-所述第一波长范围具有蓝光，所述第二波长范围具有黄和/或红光，以及所述第三波长范围具有绿光，
-所述陶瓷转换元件适于产生中性白色的光。
2.根据前一权利要求所述的陶瓷转换元件（1），其中，所述第一陶瓷层（2）的主伸展平面和所述第二陶瓷层（4）的主伸展平面平行于所述陶瓷转换元件（1）的主平面来布置。
3.根据前述权利要求之一所述的陶瓷转换元件（1），其中，所述第一陶瓷层（2）和所述第二陶瓷层（4）构造共同的界面。
4.根据权利要求1或2所述的陶瓷转换元件（1），其中，在所述第一陶瓷层（2）和所述第二陶瓷层（4）之间布置有第三陶瓷层（6），其具有第三发光材料（7），所述第三发光材料将第一波长范围的电磁辐射变换成第四波长范围的电磁辐射，并且所述第三发光材料基于至少一种含氧的无机化合物。
5.光电子半导体器件，具有：
- 半导体本体（10），其在运行中从辐射出射面（12）放射第一波长范围的电磁辐射，
- 根据前述权利要求之一所述的陶瓷转换元件（1），所述陶瓷转换元件将第一波长范围中的电磁辐射至少部分地变换成第二波长范围和第三波长范围中的辐射，使得光电子半导体器件放射第一波长范围、第二波长范围和第三波长范围的电磁辐射。
6.根据前一权利要求所述的光电子半导体器件，其中，所述陶瓷转换元件（1）被布置为，使得所述陶瓷层（2，4，6）指向半导体本体（10）的辐射出射面（12），所述陶瓷层的发光材料（3，5，7）将第一波长范围的光变换成具有最大波长的光。
7.用于制造陶瓷转换元件（1）的方法，具有下面的步骤：
- 提供具有第一发光材料（3）的第一生膜（15），所述第一发光材料适于将第一波长范围的电磁辐射变换成第二波长范围的电磁辐射，
- 提供具有第二发光材料（5）的第二生膜（16），所述第二发光材料适于将第一波长范围的电磁辐射变换成第三波长范围的电磁辐射，以及
- 将第一生膜（15）与第二生膜（16）层压，以及
- 对具有第一生膜（15）和第二生膜（16）的层复合体烧结，使得形成根据权利要求1至4之一所述的陶瓷转换元件（1）。
8.根据前一权利要求所述的用于制造陶瓷转换元件（1）的方法，其中在唯一的烧结步骤中进行层复合体的烧结。
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