CN108350357A - 用于发光设备的转换器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于发光设备、尤其用于机动车探照灯的发光设备的转换器（25，35，45，55，65，75，85，95，115，125），其中转换器具有用于将由初级光源放射的初级光至少部分地转换成次级光的转换材料（24，34，44，54，64，74，84，94，114，124），其中次级光具有与初级光不同的波长，其中转换器包括由多晶金刚石构成的面状的金刚石载体结构（20，30，40，50，60，70，80，90，110，120），所述金刚石具有多个金刚石柱状晶体（23，33，43，53，63，73，83，93，113，123），所述金刚石柱状晶体形成金刚石柱状组织，其中金刚石载体结构的区域（22，32，42，52，62，72，82，92，112，122）具有所述转换材料（24，34，44，54，64，74，84，94，114，124），并且在所述区域之间留有自由空间，所述自由空间能够实现所述初级光无转换地穿过所述金刚石载体结构。

Description

用于发光设备的转换器
技术领域
本发明涉及一种用于发光设备、尤其用于机动车探照灯的发光设备的转换器，其中转换器具有用于将由初级光源放射的初级光至少部分地转换成次级光的转换材料，其中次级光具有与初级光不同的波长。
本发明还涉及包括根据本发明的转换器的发光设备以及机动车探照灯和信号灯。此外，本发明涉及用于制造根据本发明的转换器的方法。
背景技术
在机动车中使用激光光源如今是重要的，因为尤其激光二极管能够实现更灵活的且更有效的解决方案，由此也能显著地提高光束的发光密度以及光效率。
然而，在已知的解决方案中不发射直接的激光束，以便避免通过高功率的极端聚束的光束危害人类或其他生物，尤其眼睛。更确切地说，激光束传导到连接在中间的转换器上，所述转换器包含发光转换材料，简称“磷光体”，并且由所述发光转换材料将例如蓝光优选转换成“白”光，尤其使得在与散射激光辐射叠加时形成符合法规的白光印象。
在本发明的上下文中，将术语“转换材料”或“磷光体”完全普遍地理解为如下材料或材料混合物，所述材料或材料混合物将一种波长的光转换成另一波长的光或混合波长的光，尤其“白”光，这可归入术语“波长转换”。在此，将“白”光理解成以下这种光谱组成的光：该光在人看来产生色彩印象“白色”。术语“光”自然不限制于对于人眼可见的辐射。
已知光电陶瓷作为转换材料，所述光电陶瓷是透明的陶瓷，诸如YAG-Ce（铈掺杂的钇铝石榴石）。
从现有技术中长期已知光转换器，尤其用于机动车探照灯的发光设备的光转换器。
已知的光转换器通常由包括载体（大多蓝宝石）和转换材料层的层结构构成。
WO2015004005A1公开具有分离结构和多个转换区域的转换元件，其中每个转换区域由分离结构的一部分至少部分地包围，并且其中每个转换区域被构造用于：将初级电磁辐射至少部分地转换成具有更大波长的次级辐射。转换元件例如能够与LED阵列相关联。
US2015/01027322A1描述一种转换元件，所述转换元件通过丝网印刷制造并且由规则布置的发荧光的区域构成，所述区域的中间空间用柔性的凝胶或流体填充。柔性的凝胶用于平衡处于温度负荷下的热机械应力。
EP 2 063 170 A2公开一种用于车辆的照明设备，所述照明设备具有至少一个光源和至少一个布置在光源的光路中的光学的成像元件，其中在光源和成像元件之间布置有面元件，所述面元件至少被构造用于照亮成像元件的焦平面。面元件还能够是具有受限制的面区段的光转换器。
US 2011/0249460A1公开一种投影系统，其具有光源、“磷光体”元件和投影透镜。
DE 10 2013 102 205A1描述一种用于机动车的照明装置，其具有至少一个激光辐射源，所述激光辐射源将至少一个安置在载体装置上的发光材料层激发用于进行具有波长转换的光发射。发光材料层划分成各个像素。
WO2014/095906A2公开一种探照灯设备，其具有：用于发射准直的初级辐射的激光光源；具有转换区域的转换元件，所述转换区域被设置用于将准直的初级辐射至少部分地转换成次级辐射并且在运行时形成发光区域；和分离接片，所述分离接片将转换区域彼此分离并且对于初级辐射和次级辐射是不可透过的。
DE 10 2008 027 339 A1描述一种波长转换器，其具有传导热量的部件和发光材料，所述发光材料用于将基础电磁辐射至少部分地转换成具有不同波长的第二辐射。传导热量的部件布置在被设置用于透射的区域中，并且能够根据光栅的类型或作为层来实施。传导热量的部件能够是金属合金、金属间化合物、蓝宝石、氮化铝、氮化硼或金刚石。
US 7,675,079B1公开一种处于光转换区域和SiC发光二极管之间的由金刚石构成的整面的中间层。金刚石层能够实现将SiC二极管的高的折射率值均匀地匹配于光转换区域的较低的值。由此，能够将更多的UV光在没有在边界面处反射的情况下射入到光转换区域中。金刚石层是整面的、未结构化的，并且例如借助于化学气相沉积（Chemical VaporDeposition，CVD）来沉积。
已知的光转换器的问题在于：在转换密集的聚焦的、如用于扫描探照灯的激光束时，得到在热量管理方面的限制，例如探照灯中的热流的控制和优化的限制，和在转换的发光点的可实现的精细分辨率或对比度方面的限制。
发明内容
本发明的目的是：提供一种转换器，尤其激光光转换器，所述转换器一方面实现优化的逐点的热传导，并且另一方面实现转换材料关于结构化（分散像素化）和散射作用的优化的横向分布并且因此实现可调节的分辨率或对比作用。
所述目的借助开始提到的用于发光设备的转换器通过如下方式实现：根据本发明，转换器包括由多晶金刚石构成的面状的金刚石载体结构，所述金刚石具有多个金刚石柱状晶体，所述金刚石柱状晶体构成金刚石柱状组织，其中金刚石载体结构的区域具有转换材料，并且在所述区域之间留下自由空间，所述自由空间能够实现初级光无转换地穿过金刚石载体结构。
因此本发明基于将由多晶金刚石构成的面状的金刚石载体结构用作为光转换器的进行冷却的且成形光点的载体单元。通过高的导热性（1600至>2000W/mK）、高的透明度和非常高的折射率（2.417），金刚石是对于转换材料最佳的载体介质。多晶金刚石一方面为具有快速的逐点的热传导的强力的热沉。另一方面，由于金刚石载体结构的组织化和表面形态而可能的是：施加具有有针对性的结构（分布，层厚度，粒度）的转换材料，其中能够空出用于次级光的蓝色分量的路径，并且由于碎片化在温度交变负荷方面对转换材料填充物减负。根据本发明的转换器通过金刚石结构至少局部地由于自由空间而对于初级光是能透过的，使得初级光的一部分在没有转换的情况下透射。因此，发射的次级光与透射的初级光混合。
术语“表面形态”可理解为面状的金刚石载体结构的表面的几何特征（几何形状、结构、高度轮廓），其中多晶的金刚石载体结构的表面形态根据本身已知的方式包括中间空间/凹处和凸起部。面状的金刚石载体结构因此具有内面和外面，其中典型地由于多晶金刚石柱状组织，内面和外面都具有表面形态结构。在晶体生长期间（参见图3和对此的更下文中的描述），各个金刚石柱状晶体共同生长，并且形成基本上闭合的层，所述层理想地在晶体生长期间仅由不可避免的缺口中断。
术语金刚石载体结构（或转换器）的“内面”是如下面，所述面在制造多晶金刚石载体结构时通过在衬底上生长朝向衬底。相应地，金刚石载体结构（或转换器）的“外面”可理解为如下面，所述面在制造金刚石载体结构时背离衬底。
有利地，金刚石载体结构的具有转换材料的区域遵循面状的金刚石载体结构的表面形态。由此，将具有有针对性的结构（分布，层厚度，粒度）的转换材料施加在金刚石载体结构上，并且转换材料的所述结构通过金刚石载体表面形态来预先给定。以该方式，实现转换材料区域和自由空间的同样的分布，所述自由空间能够实现初级光无转换地穿过金刚石载体结构透射。
根据本发明的转换器尤其适合于在机动车探照灯应用中将蓝色的激光辐射转换成多光谱的近似白色的光。
金刚石柱状晶体在面状的金刚石载体结构中基本上沿光传播方向定向。换言之：金刚石柱状晶体在面状的金刚石载体结构中基本上彼此平行地布置。外延层也是如此，在所述外延层中晶体柱附加地在平行于衬底的平面中相同地定向，其方式是，衬底的晶格结构确定晶体柱超出晶核的晶格结构。
有利地，金刚石载体结构通过化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition，CVD）制造。用于通过化学气相沉积制造多晶金刚石层的方法是长期已知的。能够通过经由工艺参数（例如温度、碳氢化合物：氢的比例）控制各个晶面的生长速度、选择衬底和成核条件根据本身已知的方式控制晶体生长、制晶面和表面形态（例如参见Hartmann P., 1997,Dissertation TU Wien: Diamantabscheidung mit der DC-Glimmentladungsmethodesowie mit Bor- und Stickstoff-Zugabe im Hot-Filament-Verfahren（维也纳技术大学博士论文：借助DC辉光放电方法以及借助在热丝方法中添加硼和氮来沉积金刚石）; Wildet al., 1993, Diamond and Related Materials 2:158-168）。
在CVD沉积开始时，在衬底上在不约束中间空间的情况下形成绝缘的金刚石晶体，所述中间空间在进一步的进展中继续生长成个别晶体的连贯的层，所述个别晶体通过结晶界限分开。在晶体继续生长时，朝上方形成具有分开的短缺陷的单晶区域，或者在形成具有与衬底定向不同的定向的晶面之后，停止生长，以便在金刚石柱状结构的外面上留下（表面形态的）凸起部和凹部。
在化学气相沉积期间，能够调节和控制用于晶体生长的各个相的优选的工艺参数和成核条件：
当所出现的反应配对同时具有足够的自由程时，微晶的大小例如通过衬底处的晶核的间距来确定，其中所述间距与晶核密度成反比，所述自由程能够经由衬底温度来影响。
尤其当垂直于衬底表面的生长比平行于衬底表面的生长（宽度生长）显著更快进行时，保留在内侧上的深的中间空间。
最后，通过刚好朝竞争性的晶面的方向推动生长的方式，能够有针对性地扩大优选的晶面。
金刚石柱状组织和根据本发明的转换器以及晶体生长的示例在更下文中并且在所附的附图中深入描述。
优选地，金刚石柱状晶体具有1至500μm的平均宽度，优选20至100μm的平均宽度（平均的微晶宽度）。在该大小的情况下，在光转换时形成像素。较小的平均宽度通过如今使用的激光点的扩展而优选程度更低，然而在相应的继续发展中，同样可以目的明显地使用激光。相反地，较大的宽度由于激光点的（受限制的）激发面而减小穿透的初级光和散射的次级光的统计混合。
在有利的实施方式中，面状的金刚石载体结构的中间空间至少部分地用转换材料填充。“填充”表示：转换材料部分地或完全地填充中间空间或者作为层施加在中间空间表面上。
术语“中间空间”尤其涉及面状的金刚石载体结构的表面形态中的凹处。
此外，在确定的实施方式中，借助有针对性的金刚石生长和交替地沉积多晶金刚石和转换材料能够在金刚石载体结构中产生用转换材料填充的闭合的中间空间。例如，金刚石载体结构中的敞开的中间空间或凹处可以用转换材料填充，并且转换材料通过继续CVD金刚石沉积而封入金刚石载体结构中。
在更下文详细描述的另外的变型形式中，首先可以将转换材料以结构化的方式施加在衬底上，并且随后使金刚石柱在转换材料结构之间的区域中生长，所述金刚石柱后续共同生长成多晶的面状的金刚石柱状组织。
对于探照灯应用而言有利的是：用转换材料填充的中间空间（即转换材料的层厚度）具有10μm至2mm的厚度，优选100至500μm的厚度。
面状的金刚石载体结构具有内面和外面，所述内面和外面如上面描述那样具有表面形态结构。在确定的实施方式中，在金刚石载体结构的两个面中的至少一个上的中间空间/凹处至少部分地用转换材料填充。
优选地，至少在金刚石载体结构的内面上的中间空间/凹处至少部分地用转换材料填充。因此，内面是优选的侧，因为在此由于晶体生长，中间空间/凹处是较深的，并且允许填入的转换材料的较大厚度。为了能够用转换材料填充金刚石载体结构的内面上的中间空间，金刚石载体结构必须从衬底（或衬底从金刚石载体结构）脱离，这在更下文描述。
在另外的实施方式中，在面状的金刚石载体结构的两个面上的中间空间/凹处可以至少部分地用转换材料填充。
面状的金刚石载体结构具有内面和外面，所述内面和外面如上面描述那样具有表面形态结构。在另外的实施方式中，转换材料至少部分地施加在金刚石载体结构的两个面中的至少一个上的凸起部上。
在确定的子变型形式中，转换材料至少部分地施加在金刚石载体结构的外侧上的凸起部上。
转换材料优选选自由以下构成的组：铈掺杂的钇铝石榴石（YAG-Ce）、镧掺杂的氧化钇（Y2O3-La2O3）、镁铝尖晶石（MgAl2O4）和铕掺杂的M2Si5N8，其中M = Ca，Sr或Ba。
本发明的另一主题涉及用于机动车探照灯或信号灯的发光设备，其包括初级光源和根据本发明的如在此公开的转换器（光转换器）。初级光源对于探照灯应用而言有利地为激光光源，优选为发射蓝光的激光光源。
此外，本发明的另一主题涉及一种机动车探照灯或信号灯，其包括如在此公开的根据本发明的转换器或根据本发明的发光设备。术语“机动车探照灯”或“探照灯”包括所有类型的机动车探照灯，尤其前照灯，术语“信号灯”包括所有类型的信号灯，包括尾灯。
本发明还涉及用于制造在此描述的用于照明设备的根据本发明的转换器的有利的第一方法，其特征在于如下步骤：
a）借助化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition，CVD）在面状的衬底上制造面状的多晶的金刚石载体结构，
b）在金刚石载体结构的区域中至少部分地施加转换材料，其中在具有转换材料的区域之间留有自由空间，所述自由空间能够实现初级光无转换地穿过金刚石载体结构，和
必要时，在步骤a）之后或在步骤b）之后，将面状的衬底与多晶的金刚石载体结构分离。
多晶的CVD金刚石结构的制造是本身已知的并且在文献中详细描述（例如参见Hartmann P., 1997, Dissertation TU Wien: Diamantabscheidung mit der DC-Glimmentladungsmethode sowie mit Bor- und Stickstoff-Zugabe im Hot-Filament-Verfahren（维也纳技术大学博士论文：借助DC辉光放电 方法以及借助在热丝方法中添加硼和氮来沉积金刚石）; Wild et al., 1993, Diamond and Related Materials 2:158-168）。为了反应必须提供原子氢和活化的碳氢化合物，这例如通过热解离，辉光放电或经由微波激发的等离子体来实现。在常见的实践中通常将甲烷和/或乙炔用作为碳源。多晶的金刚石结构典型地在大约750至大约950℃之间的温度下，在高的原子氢的供应下和低的碳的供应下形成。衬底超过750℃的温度用于衬底上的反应配对的足够的平均自由程，使得得到适当大小的微晶；在该温度之下实现非常细的粒度并且最后得到石墨。附加地，在大约750℃至大约950℃的温度范围中，能够实现氢从微晶的表面解离，由此维持在表面上的反应。
具有转换材料的区域选自由以下构成的组：金刚石载体结构的凸起部和中间空间（如上面描述的凹处，闭合的中间空间）。
为了将在步骤a）中获得的多晶的金刚石载体结构也能够从内面（即从朝向衬底的一侧）填充，金刚石载体结构和衬底必须彼此分开。方法根据衬底而不同。在持续附着的情况下（例如在化学结合的情况下），衬底必须通过刻蚀移除，硅作为衬底例如能够氧化地在氢氟酸-硝酸混合物中溶解。在钼衬底的情况下，金刚石载体结构仅弱地结合，并且在冷却期间由于不同的热膨胀系数而从钼衬底表面脱离。
在确定的实施方式中，金刚石载体结构能够在施加转换材料之前通过聚焦离子束（FIB）方法、通过激光钻孔、通过氧化刻蚀（例如通过将金属层施加到各个晶粒上和随后氧化回刻金属覆层的晶粒之间的区域）、通过施加热金属粉末（例如粉末状的铈或铁）、通过抛光或通过压印（例如利用热的铁工具）来加工。压印在此不理解为材料挤出，而是碳从金属压印工具中的金刚石结构中脱离。以该方式，能够将另外的结构引入到金刚石载体结构中，或剥蚀诸如金刚石柱状晶体尖部的结构。
在方法的一种扩展方案中，为了改进转换材料在金刚石载体结构上的附着，可以至少局部地在施加转换材料之前将（金属的，氧化的，碳化的，氮化的）附着层施加在金刚石载体结构上。
转换材料能够通过反应在原位，例如通过气态反应物的化学沉积施加到金刚石载体结构上。这具有的优点是：该工艺能够在与用于产生金刚石载体结构相同的反应器中执行。同样地，转换材料能够通过（物理的）材料沉积/凝聚来施加到金刚石载体结构上，其中转换材料在不改变组成的情况下例如通过溅射或喷涂从材料源转移到金刚石载体结构上。
替选于此，转换材料能够以固态的、液态的或凝胶态的预成型件施加，并且在随后的反应中，例如通过温度曲线来控制的方式转换成固相，所述 固相与金刚石载体结构连接。在此有利地，对此所需的温度低于化学沉积时的温度，使得金刚石载体结构即使在例如氧化条件下也不被侵蚀。属于这种方法的例如有溶胶-凝胶方法，在该溶胶-凝胶方法下，刮涂和烧结属于各个方法步骤。
此外，通过优选金属的或光聚合物的辅助层的掩模/刻蚀能够局部控制转换材料的施加。
用于制造在此描述的用于照明设备的根据本发明的转换器的有利的另一方法的特征在于如下步骤：
a）在面状的衬底上制造结构化的转换材料层，
b）借助化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition，CVD）在具有结构化的转换材料层的衬底上沉积面状的多晶的金刚石载体结构，和
必要时，在步骤b）之后，将面状的衬底与具有转换材料的多晶的金刚石载体结构分离。
因此，在该方法中，首先，转换材料结构化地施加在衬底上并且随后使金刚石柱在转换材料结构之间的区域中生长，所述金刚石柱随后共同生长成多晶的面状的金刚石柱状组织。用转换材料填充的多晶的金刚石载体结构随后如果期望的话能够与衬底分离。多晶CVD金刚石结构的制造如上结合第一方法来描述。转换材料在该方法中能够化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition，CVD）或物理地通过材料沉积/凝聚（Physical VaporDeposition，PVD物理气相沉积）沉积在可光刻结构化的辅助层，例如漆上，或者在整面沉积之后光刻结构化。在另外的方法中，通过固态的或凝胶状的预成型件例如通过掩模印制的方式，能够结构化地施加，例如结构化地印制所述固态的或凝胶状的预成型件。随后将预成型件转换成转换材料又能够通过温度曲线来控制，但是优选地也能够使用后续的金刚石结构产生的温度预算（上述步骤b）），即其在给定的工艺时间之上的温度。
在上述根据本发明的方法的一个变型形式中，金刚石载体结构的化学气相沉积基于将金刚石晶体有针对性地在衬底上成核，其中衬底或衬底表面由外来材料制成。术语“外来材料”可理解为如下材料，所述材料不由金刚石构成。优选地，衬底由硅，难熔金属（Ti，Zr，Hf，Va，Nb，Ta，Cr，Mo和W）的组中的元素、尤其钼，硅的碳化物，难熔金属（Ti，Zr，Hf，Va，Nb，Ta，Cr，Mo和W）的组中的元素的碳化物，具有碳化表面的硅，和具有碳化表面的难熔金属（Ti，Zr，Hf，Va，Nb，Ta，Cr，Mo和W）的组中的元素所构成的组制成。在外来材料上，在成核部位处开始晶体生长。
在根据本发明的方法的另一变型形式中，在步骤a）中基于均质外延工艺进行化学气相沉积。在此，考虑如下金刚石衬底作为衬底，所述金刚石衬底尤其选自：HPHT金刚石（例如Sumimoto Electric USA公司的SumicrystalTM或Element Six公司的金刚石衬底），和，优选抛光的、天然或CVD金刚石衬底。在金刚石衬底中，整个可用的表面用作成核面。在应不约束用于转换材料的中间空间的区域中，用结构化的材料覆盖表面。例如，对于碳而言具有低的可溶性且不形成碳化物的金属，如Cu、Au或Ag能够用作为对此的材料。材料例如能够首先整面地施加在衬底表面上并且光刻结构化成无核的岛。替选于此，代替结构材料能够在沉积金刚石载体结构之前在金刚石衬底上施加转换材料作为结构化的层（参见上面的结合替代的方法的描述）。
转换材料有利地选自由以下构成的组：铈掺杂的钇铝石榴石（YAG-Ce）、镧掺杂的氧化钇（Y2O3-La2O3）、镁铝尖晶石（MgAl2O4）和铕掺杂的M2Si5N8，其中M = Ca，Sr或Ba。
附图说明
下面，根据非限制性的示例和附图详细描述本发明。
图1示出用于化学气相沉积的反应器1（CVD反应器）的结构的示例，所述反应器能够用于制造根据本发明的光转换器。
图2示出碳-相图，所述碳-相图示出最重要的生长参数对金刚石晶体形貌的影响。
图3示出多晶金刚石载体结构在垂直于衬底表面的剖面中的示意图，在所述剖面中说明金刚石柱状晶体的生长阶段。
图4a-f示出确定方向上的生长速度和晶面的形成之间的关联。
图5a-j示出根据本发明的转换器的不同的实施方式。
具体实施方式
图1示出广泛使用的CVD反应器1的示例，所述CVD反应器能够用于制造用于根据本发明的光转换器的面状的金刚石载体结构。CVD反应器1具有内部空间2，所述内部空间为了建立真空而能够借助于泵5抽真空（基础压力<1mbar，在此小的N2部分压力；1mbar和1bar之间的工艺压力（根据理论沉积速率，功率，气体流量），其中优选使用高纯的工艺气体）。CVD反应器1在内部空间2中具有气体入口3、4，经由所述气体入口将工艺气体、如分子氢或气态的碳氢化合物和/或载气引入到内部空间2中。为了反应性沉积，必须在内部空间2的区域中，在反应室2a中，提供原子氢和活化的碳氢化合物，这例如通过热解离，辉光放电或经由微波激发的等离子体来实现。在常见的实践中通常将甲烷和/或乙炔用作为碳源。此外，反应器1具有用于衬底的可加热的存放架6，在所述衬底上借助CVD沉积面状的金刚石载体结构并且在确定的应用中也沉积转换材料。
图2示出碳-相图，所述碳-相图示出最重要的生长参数对晶体形貌的影响（以从L.Vandenbulcke et al. 7. Euro-CVD Conference, Perpignan, Frankreich, 19- 23Juni 1989获知的变型形式）。如从相图中可见：在大约750至大约950℃之间的温度下、在高的原子氢（H）的供应下和低的活化的碳氢化合物（CxHy* 诸如甲烷CH4或乙炔C2H2）的供应下形成多晶的金刚石结构（成晶面（100）和成晶面（111））。超过750℃的衬底温度负责衬底上的反应配对的足够的平均自由程，使得得到适当大小的微晶；在该温度之下不实现晶体的碳改性。
图3示出多晶的金刚石载体结构10的示意图，在所述图中说明在CVD沉积方法进行时在衬底表面11上的金刚石柱状晶体13、13、13的生长阶段A、B和C。
·生长阶段A：始于小的晶核密度，进行微晶向上快速的生长，即基本上垂直于衬底表面11，使得在金刚石载体结构10的内面10a上（即在朝向衬底表面1的一侧）在各个金刚石柱状晶体13、13、13之间保留足够的中间空间12。
·生长阶段B：在各个金刚石柱状晶体13、13、13共同生长之后，在获得多晶金刚石柱状组织的情况下产生层厚度和热质量。
·生长阶段C：在金刚石载体结构10的外面10b上形成优选的晶面。例如，（111）晶面在没有另外的再加工的情况下在金刚石载体结构10的外面10b上形成用于容纳转换材料的足够的中间空间12。
在确定的实施方式中，金刚石载体结构10能够在施加转换材料之前通过聚焦离子束（FIB）方法、通过氧化刻蚀（例如通过将金属层施加到各个晶粒上和随后氧化回刻金属覆层的晶粒之间的区域）、通过抛光或通过压印（例如借助热的铁工具）来加工。以该方式，能够将另外的结构引入到金刚石载体结构10中，或剥蚀诸如金刚石柱状晶体尖部的结构。
为了也能够将转换材料施加在多晶的金刚石载体结构10的内面10a上，必须将金刚石载体结构10和衬底11彼此分开。方法根据所使用的衬底而不同。在硅衬底的情况下，衬底能够通过刻蚀或通过在氢氟酸-硝酸混合物中氧化溶解从金刚石载体结构10上移除。在钼衬底的情况下，金刚石载体结构10仅弱地结合并且在冷却期间由于不同的热膨胀系数而从钼衬底表面上脱离。
此外，为了改进转换材料在金刚石载体结构10上的附着，能够在施加转换材料之前至少局部地将（金属的，氧化的，碳化的，氮化的）附着层施加在金刚石载体结构10上。
转换材料尤其能够选自由以下构成的组：铈掺杂的钇铝石榴石（YAG-Ce）、镧掺杂的氧化钇（Y2O3-La2O3）、镁铝尖晶石（MgAl2O4）和铕掺杂的M2Si5N8，其中M = Ca，Sr或Ba。
转换材料能够通过气态反应物的化学沉积或（物理的）材料沉积/凝聚（例如溅射或喷涂）引入金刚石载体结构10的中间空间12中或施加在其凸起部上。替选于此，转换材料能够以固体的、液态的或凝胶状的预成型件施加到金刚石载体结构上（例如通过刮涂或借助于溶胶-凝胶方法）并且在后续的反应中（例如通过烧结）转换成固相。
此外，通过优选金属的或光聚合物的辅助层的掩模/刻蚀能够局部地控制转换材料的施加。
不同的转换器实施方案的示例在下文中进一步结合图5a-j描述。
图4a-f示出金刚石晶体在确定方向上的生长速度和晶面的形成之间的关联。从四面体的（111）晶面（图4a）出发，应当沿（111）方向、即四面体面的面法线进行优选的生长（通过箭头来标识）。（111）晶面用111表示。通过沿（111）方向的生长，首先形成（100）晶面（图4b）。（100）晶面用100表示。如果选择沿（100）方向的生长比沿（111）方向的生长更慢的条件，那么原始的（111）晶面消失，而有利于（100）晶面（图4c）。
以相反的方式，表面能够有针对性地以（111）晶面闭合。从（100）和（111）晶面混合存在（图4d）的表面出发，选择如下生长条件，所述生长条件优选沿（100）方向的生长（通过箭头表示）并且抑制沿（111）方向的生长。由此，（111）晶面获得扩展，而（100）晶面失去扩展（图4e和4f）。以该方式，能够在金刚石载体结构的表面上、即外侧上调节晶面并且设计外侧的表面形态。借助如图4f中的表面闭合的微晶的相互连接产生如下表面形态，所述表面形态具有在凸起部之间的深的中间空间。
图5a-j示出根据本发明的转换器的不同的实施方式。
图5a示出具有多晶的金刚石载体结构20的转换器25，所述金刚石载体结构由多个金刚石柱状晶体23组成。金刚石载体结构具有内面20a和外面20b，其中内面20a上的凹形的中间空间22用转换材料24填充。转换材料24具有的目的是：将一种波长的光、诸如蓝色的激光转换成另一波长的光或波长混合的光，尤其转换成“白”光。在外面20b上通过在CVD方法中受控的晶体生长形成（100）晶面。
图5b示出具有多晶的金刚石载体结构30的转换器35，所述金刚石载体结构由多个金刚石柱状晶体33组成。金刚石载体结构30对应于图5a中的金刚石载体结构20，区别是：金刚石载体结构30的凹形的中间空间32在两侧、即在内面30a和外面30b上用转换材料34（部分地）填充。在外面30b上，通过在CVD方法中受控的晶体生长形成（100）晶面。
图5c示出具有多晶的金刚石载体结构40的转换器45，所述金刚石载体结构由多个金刚石柱状晶体43组成。金刚石载体结构40具有内面40a和外面40b，其中外面40b上的凹形的中间空间42用转换材料44填充。内面40a上的凹形的中间空间42未被填充。金刚石载体结构40的外面40b在用转换材料44填充之前通过掩模和聚焦离子束（FIB）方法进一步结构化，以便在外面40b上实现用于容纳转换材料44的更大的中间空间42。在外面40b上，通过在CVD方法中受控的晶体生长形成（100）晶面。
图5d示出具有多晶的金刚石载体结构50的转换器55，所述金刚石载体结构由多个金刚石柱状晶体53组成。金刚石载体结构50具有内面50a和外面50b，其中外面50b上的凹形的中间空间52用转换材料54填充。内面50a上的中间空间52未被填充。在外面50b上，通过在CVD方法中受控的晶体生长形成（111）晶面，使得外面50b上的各个金刚石柱状晶体53逐渐变尖。
图5e示出具有多晶的金刚石载体结构60的转换器65，所述金刚石载体结构由多个金刚石柱状晶体63组成。金刚石载体结构60具有内面60a和外面60b，其中外面60b上的凹形的中间空间62用转换材料64填充。内面60a上的中间空间62未被填充。在外面60b上，通过在CVD方法中受控的晶体生长形成（111）晶面，使得各个金刚石柱状晶体63首先在外面60b上具有尖部（参见图5d），所述尖部随后被截断（例如通过刻蚀、抛光或借助聚焦离子束（FIB）方法）。
图5f或图5g示出具有多晶的金刚石载体结构70或80的转换器75或85，所述金刚石载体结构70或80由多个金刚石柱状晶体73或83组成。金刚石载体结构70或80具有内面70a或80a和外面70b或80b。在外面70b或80b上，通过在CVD方法中受控的晶体生长形成（111）晶面，使得各个金刚石柱状晶体73或83在外面70b或80b上形成尖部。外面70b或80b结构化地用转换材料74或84覆盖。
在转换器75（图5f）中，外面70b上的凹形的中间空间72用转换材料74包覆。为了包覆例如使用通过扩散受控的CVD工艺进行一致性的沉积。（后续的或竞争的）物理刻蚀工艺优选在外面70b的尖部处剥蚀转换器，使得所述尖部没有转换材料。物理刻蚀工艺基于在离子轰击下的剥蚀并且在表面形态的尖部处由于局部更高的应力实现更高的剥蚀速率。
在转换器85（图5g中）仅外面80b上的尖部82用转换材料84覆层。在这种情况下，例如考虑光刻方法。在此，例如旋涂光刻胶作为辅助层，并且尖部通过曝光和显影来露出。随后，施加转换材料并且随后从尖部之间的凹处中移除辅助层和转换材料。在此，光刻辅助层的移除在自身的工艺步骤中或在充分利用后续工艺的提高的温度的情况下来进行。
图5h示出具有多晶的金刚石载体结构90的转换器95，所述金刚石载体结构由多个金刚石柱状晶体93组成。金刚石载体结构90具有内面90a和外面90b，其中外面90b上的凹形的中间空间92用转换材料94填充。内面90a上的中间空间92未被填充。在外面90b上，通过在CVD方法中受控的晶体生长形成混合晶面的柱状组织，所述柱状组织包括（111）晶面和（100）晶面。
图5i示出转换器115，所述转换器115与转换器95的区别仅在于：金刚石柱状晶体113的尖部在金刚石载体结构110的外面110b处在用转换材料114填充中间空间112之前被截断（例如通过刻蚀、抛光或借助聚焦离子束（FIB）方法）。内面110a没有转换材料。
从图5h和图5i中也良好可见的是：借助混合晶面的柱状组织或通过截断尖部能够产生更大的连续的转换材料区域（像素）。
图5j示出具有金刚石载体结构120的转换器125，所述金刚石载体结构对应于图5e中的金刚石载体结构60，其中转换材料124在金刚石载体结构120的外面120b上施加在金刚石柱状晶体123的截断尖部的平台122上。内面120a没有转换材料。转换材料124例如能够如下施加在平台上：首先，外面120b整面地用金属覆层。随后，尖部通过抛光截断并且由此平台从金属中露出。随后，转换材料整面地通过CVD方法在外面120b上作为100至500μm的层来沉积。通过后续地溶解金属，移除平台122之间的凹处中的金属和转换材料。
如从图5a-5j中良好可见：在相应的金刚石载体结构20，30，40，50，60，70，80，90，110，120的内面或外面20a，20b，30a，30b，40a，40b，50a，50b，60a，60b，70a，70b，80a，80b，90a，90b，110a，110b，120a，120b上在配备有转换材料24，34，44，54，64，74，84，94，114，124的区域22，32，42，52，62，72，82，92，112，122之间保留自由空间，所述自由空间能够实现初级光无转换地穿过金刚石载体结构20，30，40，50，60，70，80，90，110，120。
上面示出的根据本发明的转换器的示例仅是大量示例中的一些并且因此不能够视作为是限制性的。

Claims (30)

1.一种用于发光设备、尤其用于机动车探照灯的发光设备的转换器（25，35，45，55，65，75，85，95，115，125），其中所述转换器具有用于将由初级光源放射的初级光至少部分地转换成次级光的转换材料（24，34，44，54，64，74，84，94，114，124），其中所述次级光具有与所述初级光不同的波长，
其特征在于，
所述转换器包括由多晶金刚石构成的面状的金刚石载体结构（20，30，40，50，60，70，80，90，110，120），所述金刚石具有多个金刚石柱状晶体（23，33，43，53，63，73，83，93，113，123），所述金刚石柱状晶体形成金刚石柱状组织，其中所述金刚石载体结构的区域（22，32，42，52，62，72，82，92，112，122）具有转换材料（24，34，44，54，64，74，84，94，114，124），并且在所述区域之间留有自由空间，所述自由空间能够实现所述初级光无转换地穿过金刚石载体结构。
2.根据权利要求1所述的转换器，其特征在于，面状的金刚石载体结构（20，30，40，50，60，70，80，90，110，120）的具有所述转换材料的区域（22，32，42，52，62，72，82，92，112，122）遵循面状的金刚石载体结构的表面形态。
3.根据权利要求1或2所述的转换器，其特征在于，所述金刚石柱状晶体（23，33，43，53，63，73，83，93，113，123）在面状的金刚石载体结构（20，30，40，50，60，70，80，90，110，120）中基本上沿光传播方向定向。
4. 根据权利要求1至3中任一项所述的转换器，其特征在于，所述金刚石载体结构（20，30，40，50，60，70，80，90，110，120）通过化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition，CVD）制造。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的转换器，其特征在于，所述金刚石柱状晶体（23，33，43，53，63，73，83，93，113，123）具有1至500μm的平均宽度，优选20至100μm的宽度。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的转换器，其特征在于，所述金刚石载体结构（20，30，40，50，60，70，90，110）的中间空间（22，32，42，52，62，72，92，112）至少部分地用所述转换材料（24，34，44，54，64，74，94，114）填充。
7.根据权利要求6所述的转换器，其特征在于，用所述转换材料（24，34，44，54，64，74，94，114）填充的中间空间（22，32，42，52，62，72，92，112）具有10μm至2mm的厚度，优选100至500μm的厚度。
8.根据权利要求6或7所述的转换器，其特征在于，面状的金刚石载体结构（20，30，40，50，60，70，90，110）具有内面（20a，30a，40a，50a，60a，70a，90a，110a）和外面（20b，30b，40b，50b，60b，70b，90b，110b），其中在所述金刚石载体结构的所述面中的至少一个上的中间空间至少部分地用转换材料（22，32，42，52，62，72，92，112）填充。
9.根据权利要求8所述的转换器，其特征在于，在所述金刚石载体结构（20，30）的所述内面（20a，30a）上的中间空间（22，32）至少部分地用转换材料（22，32）填充。
10.根据权利要求8所述的转换器，其特征在于，在面状的金刚石载体结构（30）的两个面（30a）上的中间空间至少部分地用转换材料（32）填充。
11.根据权利要求1至5中任一项所述的转换器，其特征在于，面状的金刚石载体结构（80，120）具有内面（80a，120a）和外面（80b，120b），其中所述转换材料（84，124）至少部分地施加在所述金刚石载体结构的所述面中的至少一个上的凸起部（82，122）上。
12.根据权利要求11所述的转换器，其特征在于，所述转换材料（84，124）至少部分地施加在所述金刚石载体结构（80，120）的外面（80b，120b）上的凸起部（82，122）上。
13. 根据权利要求1至12中任一项所述的转换器，其特征在于，所述转换材料（24，34，44，54，64，74，84，94，114，124）选自由以下构成的组：铈掺杂的钇铝石榴石（YAG-Ce）、镧掺杂的氧化钇（Y2O3-La2O3）、镁铝尖晶石（MgAl2O4）和铕掺杂的M2Si5N8，其中M = Ca，Sr或Ba。
14.一种用于机动车探照灯的发光设备，其包括初级光源和根据权利要求1至13中任一项所述的转换器（25，35，45，55，65，75，85，95，115，125）。
15.根据权利要求14所述的发光设备，其特征在于，所述初级光源是激光光源，优选发射蓝光的激光光源。
16.一种机动车探照灯，其包括根据权利要求1至13中任一项所述的转换器（25，35，45，55，65，75，85，95，115，125）或根据权利要求14或15所述的发光设备。
17.一种信号灯，其包括根据权利要求1至13中任一项所述的转换器（25，35，45，55，65，75，85，95，115，125）或根据权利要求14或15所述的发光设备。
18.一种用于制造发光设备的根据权利要求1至13中任一项所述的转换器的方法，其特征在于如下步骤：
a）借助化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition，CVD）在面状的衬底上制造面状的多晶的金刚石载体结构，
b）在金刚石载体结构的区域中至少部分地施加转换材料，其中在具有转换材料的区域之间留有自由空间，所述自由空间能够实现所述初级光无转换地穿过所述金刚石载体结构，和
必要时，在步骤a）之后或在步骤b）之后，将面状的衬底与多晶的金刚石载体结构脱离。
19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，具有所述转换材料的区域选自由以下构成的组：所述金刚石载体结构的凸起部和中间空间。
20.根据权利要求18或19所述的方法，其特征在于，所述金刚石载体结构在施加所述转换材料之前通过聚焦离子束（FIB）方法、激光钻孔、氧化刻蚀、施加热金属粉末、抛光或通过压印来加工。
21.根据权利要求18至20中任一项所述的方法，其特征在于，为了改进所述转换材料在所述金刚石载体结构上的附着，至少局部地在施加所述转换材料之前将附着层施加在所述金刚石载体结构上。
22.根据权利要求18至21中任一项所述的方法，其特征在于，所述转换材料通过气态反应物的化学沉积或通过材料沉积、例如溅射或喷涂来施加。
23.根据权利要求18至21中任一项所述的方法，其特征在于，所述转换材料以固态的、液态的或凝胶态的预成型件施加，并且随后转换成固相，所述固相与金刚石载体结构连接。
24.一种用于制造发光设备的根据权利要求1至13中任一项所述的转换器的方法，其特征在于如下步骤：
a）在面状的衬底上制造结构化的转换材料层，
b）借助化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition，CVD）在具有结构化的转换材料层的衬底上沉积面状的多晶的金刚石载体结构，和
必要时，在步骤b）之后，将所述面状的衬底与具有所述转换材料的多晶的金刚石载体结构脱离。
25. 根据权利要求24所述的方法，其特征在于，所述转换材料通过化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition，CVD）结合光刻方法，通过物理材料沉积、如物理气相沉积（PVD）结合光刻方法，或者通过结构化地印制在所述衬底上来施加。
26.根据权利要求18至25中任一项所述的方法，其特征在于，金刚石载体结构的化学气相沉积基于将金刚石晶体有针对性地在所述衬底上成核，其中所述衬底或衬底表面由外来材料制成。
27.根据权利要求26所述的方法，其特征在于，所述衬底由硅，难熔金属（Ti，Zr，Hf，Va，Nb，Ta，Cr，Mo和W）的组中的元素、尤其钼，硅的碳化物，难熔金属（Ti，Zr，Hf，Va，Nb，Ta，Cr，Mo和W）的组中的元素的碳化物，具有碳化表面的硅，和具有碳化表面的难熔金属（Ti，Zr，Hf，Va，Nb，Ta，Cr，Mo和W）的组中的元素所构成的组制成。
28.根据权利要求18至25中任一项所述的方法，其特征在于，所述金刚石载体结构的化学气相沉积基于均质外延工艺进行。
29.根据权利要求28所述的方法，其特征在于，所述衬底选自：HPHT-金刚石，或者优选抛光的、天然或CVD金刚石衬底。
30. 根据权利要求18至29中任一项所述的方法，其特征在于，所述转换材料选自由以下构成的组：铈掺杂的钇铝石榴石（YAG-Ce）、镧掺杂的氧化钇（Y2O3-La2O3）、镁铝尖晶石（MgAl2O4）和铕掺杂的M2Si5N8，其中M = Ca，Sr或Ba。
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