CN112566881A

CN112566881A - 制造转换元件的方法、转换元件和包括所述转换元件的发光器件

Info

Publication number: CN112566881A
Application number: CN201980053201.9A
Authority: CN
Inventors: 达尔尚·孔达利娅; 杰弗里·J·塞尔; 詹姆斯·阿瓦隆; 凯瑟琳·A·劳森
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2018-08-10
Filing date: 2019-08-01
Publication date: 2021-03-26
Anticipated expiration: 2039-08-01
Also published as: CN112566881B; JP2021532211A; US11692133B2; KR20210034656A; US20220098478A1; US11254865B2; US20200048547A1; WO2020030529A1; DE112019004013T5; JP7410928B2; KR102591526B1

Abstract

本发明涉及制造转换元件的方法，包括：A)提供一种或更多种前体材料，所述一种或更多种前体材料包含镥、铝和稀土元素；B)将一种或更多种前体材料与粘结剂和溶剂混合从而获得浆料；C)由步骤B)的浆料形成生坯；F)烧结生坯以获得转换元件，其中烧结在高于720℃的温度下进行。此外，提供了转换元件和包括所述转换元件的发光器件。

Description

制造转换元件的方法、转换元件和包括所述转换元件的发光器件

本发明涉及制造转换元件的方法。此外，本发明涉及转换元件和包括所述转换元件的发光器件。

转换元件通常用于发光器件中，例如LED(发光二极管)或LASER(受激辐射式光放大器件，light amplification by stimulated emission of radiation device)。发光器件的光学性能取决于器件内的散热。为了实现有效的散热，需要具有高热导率的转换元件。此外，需要制造这样的转换元件的方法，所述方法可以以成本有效的方式用合理的技术努力来进行。

本发明的一个目的是具体说明制造转换元件的方法。本发明的另一个目的是具体说明具有改善的性能的转换元件和包括所述转换元件的发光器件。

本目的通过独立专利权利要求的主题来实现。从属专利权利要求涉及另外的配置和发展。

本发明涉及制造转换元件的方法，所述方法包括：

A)提供一种或更多种前体材料，所述一种或更多种前体材料包含镥、铝和稀土元素，

B)将一种或更多种前体材料与粘结剂和溶剂混合从而获得浆料，

C)由步骤B)的浆料形成生坯，

F)烧结生坯以获得转换元件，其中烧结在高于1720℃的温度下进行。

术语转换元件应理解为这样的元件：其能够将具有第一波长的电磁辐射(初级辐射)转换成具有第二波长的电磁辐射(次级辐射)，其中第二波长比第一波长更长。例如，初级辐射可以为UV光或蓝光，次级辐射可以为波长更长的可见光，例如绿光或红光。例如，转换元件为陶瓷转换元件，例如陶瓷片(platelet)。

本发明的方法导致包含第一相和第二相的转换元件的形成。第一相包含镥、铝、氧和稀土元素，而第二相包含Al₂O₃单晶。例如，形成了Al₂O₃六方单晶，其可能已经形成为微片。

例如，第一相包含LuAG(LuAG＝Lu₃Al₅O₁₂)，其优选地掺杂有稀土元素，例如铈。在那种情况下，转换元件包含第一相，其中第一相包含Lu₃Al₅O₁₂:Ce。

与其中所得的转换元件仅包含单相(例如Lu₃Al₅O₁₂:Ce的单相)的常见制造方法相比，在本发明的制造方法期间引入包含Al₂O₃晶体的第二相。

即，本发明的发明人观察到，高于1720℃的烧结温度导致Al₂O₃单晶的形成。这些晶体在步骤F)中进行的高温烧结期间有机地生长并且自嵌入转换元件内。

与之相比，标准制造方法(特别是涉及形成包含Lu₃Al₅O₁₂:Ce的转换元件的方法)在较低的烧结温度下进行，因此未形成包含Al₂O₃单晶的第二相。

本发明的发明人观察到，Al₂O₃单晶由于其高热导率而促进所获得的转换元件中的散热。这在用于发光器件时导致改善的光学性能。转换元件还能够处理更高的入射高能光子通量(例如，UV光子通量或蓝色光子通量)。这在用于高功率LED应用时或在LASER应用的情况下是特别有益的。

Al₂O₃单晶的引入完全是由于在方法步骤F)中的高温烧结期间利用高于1720℃的温度来实现的。即，不必添加另外的多晶或单晶Al₂O₃粉末来获得Al₂O₃晶体的第二相，而Al₂O₃单晶的嵌入完全由于温度控制而发生。

尽管可以在本发明方法的过程中添加另外的单晶或多晶Al₂O₃以进一步增加转换元件中的Al₂O₃晶体含量，但是不需要添加额外的Al₂O₃来在包含Al₂O₃单晶的转换元件中形成第二相。

形成包含Al₂O₃晶体的转换元件的另一种方式是在于1720℃或更低的温度下进行的制造过程期间有意地引入多晶或单晶Al₂O₃。在那种情况下，可以由引入的Al₂O₃形成基质相。因此可以获得包含Lu₃Al₅O₁₂:Ce相和Al₂O₃的基质相的转换元件。然而，在单独的过程期间形成的Al₂O₃的基质相是高度多晶的。多晶Al₂O₃包括晶界，这降低了热导率并因此阻碍了散热。此外，在这样的过程中，添加的Al₂O₃粉末的颗粒尺寸可以是对形成的任何氧化铝微晶的最终尺寸的限制因素。为了改善单独的过程的结果，需要对用作起始材料的Al₂O₃粉末进行大量的设计和处理。

与单独的过程相比，本发明方法(其中单晶Al₂O₃在高于1720℃的温度下的烧结期间有机地生长)不需要另外的添加Al₂O₃的方法步骤。此外，本发明的方法不需要上述方法中对Al₂O₃的预处理所需要的大量的设计和处理。因此，本发明方法是成本有效的并且特别地不需要另外的设计步骤。

此外，所得的转换元件包含有机生长且自嵌入的单晶Al₂O₃，与多晶Al₂O₃相比，单晶Al₂O₃的热导率更好。

以下讨论本发明方法另外的实施方案。

根据制造转换元件的至少一个实施方案，步骤F)在高于1720℃，优选高于1730℃，例如高于1740℃的烧结温度下进行。如以上所讨论的，如果在1720℃或更低的温度下进行烧结，则不形成可检测量的Al₂O₃单晶。可以在高于1720℃的温度下观察到Al₂O₃单晶的形成。温度越高，单晶的尺寸越大并且所得的转换元件的热导率越好。

根据制造转换元件的至少一个实施方案，步骤F)在低于1800℃，优选低于1790℃，更优选低于1780℃，例如低于1770℃或甚至低于1760℃的烧结温度下进行。如果烧结温度非常高，则单晶变得非常大。在某个点，多个单晶一起生长。这可导致在转换元件中不受控的簇形成，并且形成的Al₂O₃晶体的分布不良。在这种情况下，可形成多晶Al₂O₃并且散热的效率可能降低。

根据本发明制造转换元件的方法的至少一个实施方案，步骤F)在高于1720℃且低于1780℃，例如在高于1730℃且低于1770℃，例如在1740℃至1760℃，例如在1750℃的烧结温度下进行。

技术人员理解，在某些情况下温度范围可能受炉设置的影响。因此，对于其他炉设置，温度可以略微不同，而结果保持相同。

如果在这个范围内进行烧结，则形成Al₂O₃单晶，该Al₂O₃单晶具有足够的尺寸以改善热导率，并且同时被明确地限定并很好地嵌入到转换元件中。因此，可以减少或避免不期望的、不受控的多个簇形成。

根据至少一个实施方案，步骤F)在还原气氛中进行。例如，烧结在H₂的存在下进行。烧结可以在湿润的H₂气氛中、在混合气体(forming gas)气氛中(即，包含N₂和H₂的气氛)或在包含Ar和H₂的气氛中进行。在步骤F)期间，可以发生包含稀土元素的前体材料的还原。例如，Ce⁴⁺被还原为Ce³⁺并因此被活化。

根据至少一个实施方案，步骤F)在助熔剂或烧结助剂的存在下进行。例如，助熔剂为铝酸钡。技术人员知道烧结助剂可以影响烧结温度。不同的烧结助剂可以导致不同的烧结温度，而仍然导致相同的结果。

根据至少一个实施方案，步骤A)包括提供包含镥的第一前体材料、提供包含铝的第二前体材料以及提供包含稀土元素(例如铈)的第三前体材料。第一前体材料、第二前体材料和第三前体材料优选地选自氧化物和/或硝酸盐。

或者，步骤A)包括提供仅一种前体材料，其中所述一种前体材料包含镥、铝和稀土元素(例如铈)。例如，所述仅一种前体材料可以为Lu₃Al₅O₁₂:Ce。

根据至少一个实施方案，步骤A)包括提供包含镥的第一前体材料、包含铝的第二前体材料和包含稀土元素的第三前体材料，其中第一前体材料为Lu₂O₃，第二前体材料为Al₂O₃，以及第三前体材料为CeO₂。

这些材料是合适的且容易获得的起始材料以形成包含第一相(其包含Lu₃Al₅O₁₂:Ce)和第二相(其包含Al₂O₃单晶)的转换元件。

根据所述方法的至少一个实施方案，步骤A)的一种或更多种前体材料为粉末。

根据至少一个实施方案，步骤A)的一种或更多种前体材料以Lu₃Al₅O₁₂:Ce的化学计量比提供。

铈的含量可以为0原子％至4原子％，特别地0.01原子％至4原子％，优选0.1原子％至2原子％。例如，铈的含量为0.3原子％至0.7原子％，例如0.5原子％，或铈的含量为1.5原子％至1.9原子％，例如1.75原子％。根据需要，铈的含量可以与转换元件的厚度相适应。

根据至少一个实施方案，步骤A)的一种或更多种前体材料以Lu₃Al₅O₁₂:Ce的化学计量比提供，此外，添加烧结助剂。

根据本发明方法的至少一个实施方案，步骤B)中的混合通过球磨来进行。球磨导致一种或更多种前体材料以及粘结剂和溶剂的混合和均匀化。球磨可以在受控的滚动速度下进行。

根据至少一个实施方案，球磨进行2小时至4天的时间段。时间段越长，所得的浆料越细，即所得的浆料仅包含非常细的颗粒尺寸的材料。

根据本发明方法的至少一个实施方案，步骤B)的溶剂为水性溶剂例如水，或非水性溶剂例如己烷、丙酮或甲醇。水性溶剂例如水是特别合适的，因为它们是环境有益的，对LuAG没有负面影响并且可以与各种类型的粘结剂组合使用。

根据本发明方法的至少一个实施方案，方法步骤B)的粘结剂为基于聚偏二氟乙烯(PVDF)或聚乙烯醇(PVA)的粘结剂或者包含聚偏二氟乙烯(PVDF)或聚乙烯醇(PVA)的粘结剂。这些粘结剂适合于促进生坯的形成。

根据制造转换元件的方法的至少一个实施方案，步骤C)的生坯为生坯片(greentape)，并且生坯片是在步骤C)中由步骤B)的浆料通过流延成型(tape casting)形成的。

根据至少一个实施方案，生坯由生坯片形成，其中生坯片是在步骤C)中由步骤B)的浆料通过流延成型形成的。此外，生坯可以包括生坯片或生坯片的部分，所述生坯片或生坯片的部分是在步骤C)中由步骤B)的浆料通过流延成型形成的。例如，生坯可以为由生坯片形成的层合体或由生坯片的部分形成的层合体。在那种情况下，生坯可以被称为生坯片层合体，例如包括在步骤C)中由步骤B)的浆料通过流延成型形成的至少一个生坯片或至少一个生坯片的部分的生坯片层合体。

流延成型应理解为用于由浆料制造薄陶瓷带的浇铸过程。将浆料以薄层的形式浇铸到平坦表面上。以这种方式形成生坯片。

根据制造转换元件的方法的至少一个实施方案，将浆料浇铸到聚合物膜的表面上。

根据所述方法的至少一个实施方案，聚合物膜包含聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)或由聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)组成。聚合物膜(例如基于PET的聚合物膜)是高度柔性的。它们可以容易地从所得的生坯片上除去，即可以容易地进行分层。

根据至少一个实施方案，所得的生坯片是适于在烧结时与Lu₃Al₅O₁₂:Ce反应的生坯片。

根据制造转换元件的方法的至少一个实施方案，所形成的生坯片的厚度为20μm至60μm，例如30μm至50μm，例如40μm。

根据所述方法的至少一个实施方案，在步骤C)之后发生步骤C1)。步骤C1)包括生坯的干燥。例如，生坯为经干燥的生坯片。

根据至少一个实施方案，在步骤C)之后，例如在步骤C1)之后发生步骤C2)。步骤C2)是分层步骤，其中将生坯片从聚合物膜分离。

根据至少一个实施方案，在步骤C)之后，例如在步骤C2)之后发生步骤C3)。步骤C3)包括将生坯分成几部分。将生坯分成几部分可以通过切割或冲压来进行。例如，生坯为通过切割或冲压分成限定尺寸的几部分的生坯片。

根据至少一个实施方案，生坯片的部分的表面积为约2平方英寸至4平方英寸(即约12.9平方厘米至25.8平方厘米)。

根据至少一个实施方案，所述部分的厚度为20μm至60μm，例如30μm至50μm，例如40μm。

根据至少一个实施方案，在步骤C3)之后发生步骤C4)。步骤C4)包括将生坯片的数个部分(其为例如在步骤C3)中获得的)层合在彼此的顶部上。以这种方式形成生坯片层合体。

在步骤C4)中，将生坯片的2至12个部分，优选生坯片的4至8个部分，例如生坯片的6个部分布置在彼此的顶部上。

在这种背景下，可以采用压力以形成生坯片层合体。

因此，在本发明的情况下，术语生坯可以理解为流延成型期间形成的生坯片。此外，术语生坯还可以理解为生坯片层合体，其包括布置在彼此的顶部上的数个生坯片或生坯片的部分或者由布置在彼此的顶部上的数个生坯片或生坯片的部分组成。

根据至少一个实施方案，由此获得的生坯(其优选为生坯片层合体)的厚度为50μm至500μm(层合之后)，优选230μm至260μm，例如约240μm(＝6×40μm)。

根据至少一个实施方案，在步骤C4)之后进行步骤C5)。步骤C5)包括例如通过切割或冲压使生坯成为片的形状。根据至少一个实施方案，片的表面积为约2平方毫米。

根据至少一个实施方案，本发明的方法包括在步骤F)之前对生坯的表面进行结构化的步骤D)。

例如，生坯为生坯片层合体并且所述生坯片层合体的表面是经结构化的，或者生坯为生坯片并且所述生坯片的表面是经结构化的。

在烧结之前对表面进行结构化导致Al₂O₃晶体的形成，所述Al₂O₃晶体相对均匀地分布在转换元件的表面。即，表面结构化显著改善了Al₂O₃单晶在转换元件的表面的分布。这可以至少部分归因于由于表面结构化而导致的表面积的增加。

在转换元件的经结构化的表面上形成的Al₂O₃单晶至少部分地从所述表面结构突出。发明人理解，Al₂O₃单晶用作另外的具有不同折射率的非吸收性透明散射体。因此，获得了具有改善的光散射特性的转换元件，所述转换元件由于表面结构化而能够有效地进行光子再循环和光提取。表面结构化结合Al₂O₃单晶能够使转换元件体内的蓝色光子的吸收更高，从而导致包括相应转换元件的发光器件的流明输出更高。

根据本发明方法的至少一个实施方案，对生坯的表面进行结构化通过LASER结构化例如LASER蚀刻来进行。以这种方式，可以用很小的技术努力来获得明确限定的表面结构。

根据至少一个实施方案，表面结构化包括形成限定深度的表面结构，其中深度可以为5μm至50μm，例如10μm至40μm，例如10μm至30μm或10μm至20μm。例如，表面结构包括深度为10μm至40μm，或10μm至30μm，或10μm至20μm的凹部。凹部可以为线性凹部，例如凹槽。

根据至少一个实施方案，表面结构化包括形成表面图案，例如规则的表面图案。

根据所述方法的至少一个实施方案，表面结构化包括形成具有限定深度的凹槽。凹槽应理解为具有线性形状的凹部。

凹槽特别适合于获得明确限定的表面结构，并促进Al₂O₃单晶在所得转换元件的表面上的分布。例如，表面结构化可以包括形成多个凹槽。例如可以形成多个平行、等距的凹槽。

根据一个实施方案，表面结构化可以包括形成格子表面图案。格子表面图案由多个平行凹槽形成。例如，格子表面图案由多个平行凹槽形成，其中第一组平行凹槽与第二组平行凹槽例如以90°的角度相交。

为了获得Al₂O₃单晶在转换元件的表面上的优异分布，格子表面图案是合适的。

根据本发明方法的进一步发展，凹槽的平均深度为5μm至50μm，优选10μm至40μm。

如果深度太小，则Al₂O₃单晶的分布效果变得不太均匀。在这种情况下，改善的散射的效果不太显著。如果深度太大，则所得的转换元件的稳定性将降低。即，所得的转换元件可以更容易损坏。

本发明的发明人观察到，结合在步骤F)中高于1720℃且低于1780℃的烧结温度，优选10μm至40μm的深度。此外，对于给定的温度范围，特别优选10μm至30μm的深度以实现具有优异分布的Al₂O₃单晶并实现具有高效率的转换元件。此外，还优选10μm至20μm的深度以便既实现优异的分布、效率又实现稳定性。如果深度太大，则转换元件的稳定性可能降低。

根据另一个实施方案，结合在步骤F)中1770℃至1790℃，例如1775℃至1785℃，例如1780℃的烧结温度，表面结构化包括形成深度为5μm至20μm、例如5μm至15μm，例如10μm的凹部和/或凹槽。这种特定的组合导致出乎意料的高光学性能(见图6)。即，实现了非常高的转换量子效率。

根据至少一个实施方案，表面结构具有凹槽并且凹槽的平均间距尺寸为25μm至50μm，例如25μm至40μm，例如30μm。在这种情况下，术语间距是指两个凹槽的距离，即相对于转换元件的表面两个相邻凹槽的最低点之间的距离。

根据至少一个实施方案，表面结构化可以包括形成表面结构，其中表面结构由高度(即深度)和间距尺寸表征。例如，术语深度应理解为凹部或凹槽的深度。术语间距尺寸例如是指两个凹部或凹槽之间的距离。

根据至少一个实施方案，表面结构化包括形成表面结构，该表面结构的深度与间距尺寸的比率在2至0.1的范围内，优选在0.7至0.3的范围内，例如为0.5。这是例如如果深度为15μm且间距尺寸为30μm的情况。

根据制造转换元件的方法的至少一个实施方案，所述方法还包括对生坯进行煅烧的步骤E)。例如，进行生坯片和/或生坯片层合体的煅烧。步骤E)在步骤C)之后并且在步骤F)之前进行。

根据所述方法的进一步发展，步骤E)的煅烧在700℃至1200℃，例如1000℃至1200℃的温度下进行。煅烧可以进行至少10分钟且至多12小时，例如至少15分钟且至多2小时。例如，煅烧可以在1150℃下进行30分钟。

根据又一个实施方案，步骤E)在含氧气氛中，优选在空气中进行。

在步骤E)期间，将粘结剂和溶剂的残留物从生坯中除去。

根据制造转换元件的方法的至少一个实施方案，所述方法还包括对烧结体进行退火的步骤G)。例如，进行经烧结的冲压片的退火。步骤G)在步骤F)之后进行。

步骤G)允许减少可能在烧结步骤F)期间形成的缺陷。步骤G)特别地允许增加转换元件中Ce³⁺的含量。以这种方式，可以进一步改善转换元件的特性。即，可以实现改善的亮度和/或更均匀的亮度。

根据所述方法的进一步发展，步骤G)的退火在700℃至1200℃，例如1000℃至1200℃的温度下进行。退火可以进行至少10分钟且至多12小时，例如至少15分钟且至多2小时。例如，退火可以在1050℃下进行60分钟。

根据又一个实施方案，步骤G)在受控的气体气氛，优选在具有氮气或氩气与氧气的混合气体中进行。

根据制造转换元件的方法的至少一个实施方案，在步骤A)期间或之后，除一种或更多种前体材料之外，不添加另外的包含铝的材料。特别地不添加另外的单晶Al₂O₃或多晶Al₂O₃。具体地不添加Al₂O₃，添加Al₂O₃会超出形成LuAG所需的化学计量量。

如上所述，在本发明的方法期间形成单晶Al₂O₃不需要添加Al₂O₃，添加Al₂O₃会超过形成LuAG所需的化学计量量。

根据另一个实施方案，在方法步骤A)和/或方法步骤B)期间添加多晶Al₂O₃或单晶Al₂O₃，这会超过形成LuAG所需的Al₂O₃的化学计量量。以这种方式，可以实现包含多晶Al₂O₃和单晶Al₂O₃二者的转换元件，其中由于在高于1720℃的温度下烧结而形成了至少一部分单晶Al₂O₃。通过添加另外的Al₂O₃，可以进一步改善和调节热导率和散热。此外，另外的Al₂O₃可以嵌入到转换元件中，并可以形成六方微片。

根据至少一个实施方案，在方法步骤A)和/或方法步骤B)期间添加蓝宝石的微晶粉末。蓝宝石可以嵌入到转换元件中，并可以形成六方微片。

本发明还涉及包含第一相和第二相的转换元件，其中第一相包含镥、铝、氧和稀土元素，以及第二相包含Al₂O₃单晶。

本发明的转换元件可以通过如本文所述的制造转换元件的方法来生产。因此，结合制造转换元件的方法所描述的特征也可以用于转换元件，反之亦然。

根据至少一个实施方案，第二相嵌入到转换元件中。第二相特别地分布在整个转换元件中。例如，第二相嵌入到作为转换元件的主要相的第一相中。

本发明的发明人观察到，具有包含Al₂O₃单晶或由Al₂O₃单晶组成的第二相的转换元件导致转换元件改善的热导率。基于此，可以实现转换元件和包括所述转换元件的发光器件内的改善的散热，这导致改善的光学性能。

根据至少一个实施方案，转换元件为陶瓷转换元件。

根据至少一个实施方案，转换元件为片。

根据至少一个实施方案，转换元件为陶瓷发光转换元件。

根据至少一个实施方案，第一相包含作为发光材料的Lu₃Al₅O₁₂:Ce。然而，第一相还可以相对于一些元素(例如Al)以降低的含量包含Lu₃Al₅O₁₂:Ce。

根据转换元件的至少一个实施方案，Al₂O₃单晶为有机生长、自嵌入的单晶。

根据至少一个实施方案，Al₂O₃单晶均匀地分布在整个转换元件中。例如它们均匀地分布在第一相中。

根据至少一个实施方案，至少一些Al₂O₃单晶从转换元件的表面突出。相应的晶体可以用于光散射和改善的光提取。

根据转换元件的至少一个实施方案，Al₂O₃晶体为六方单晶。例如，Al₂O₃晶体具有六方微片的形状。

根据转换元件的至少一个实施方案，Al₂O₃单晶的平均晶体尺寸为0.5μm至15μm，例如1μm至10μm，优选2μm至8μm，更优选3μm至5μm。

对于具有六方表面区域的六方微片的晶体，此处和以下的术语晶体尺寸可以理解为具有与六方微片的六方表面区域相同的表面积的圆的直径。

本发明的发明人观察到，包含0.5μm至15μm，例如1μm至10μm，特别地3μm至5μm范围内的Al₂O₃单晶的转换元件确实显示出优异的热导率和转换元件内优异的晶体分布。如果晶体尺寸变得非常小，则改善的散热的效果降低。如果晶体尺寸变得太大，则形成晶体的簇。在那种情况下，可形成晶界，这阻碍了热导率。此外，晶体的整体分布可能受影响并且不受控的簇形成占据优势。

根据至少一个实施方案，转换元件具有至少一个具有表面结构的表面，并且Al₂O₃单晶至少部分地从所述表面结构突出。

本发明的发明人观察到，Al₂O₃单晶可以用作具有不同折射率的非吸收性透明散射体。以这种方式，可以改善利用本发明的转换元件的发光器件的性能。

表面结构化导致增加的表面区域以及更多的从这样的增加的表面区域突出的单晶，并因此导致改善的光散射和光提取。

根据转换元件的至少一个实施方案，表面结构包括具有限定尺寸的凹槽。

例如，表面结构化包括多个凹槽，例如多个平行、等距的凹槽。

根据至少一个实施方案，表面结构包括格子表面图案。格子表面图案由多个凹槽形成。

根据本发明方法的进一步发展，凹槽的平均深度为5μm至50μm，优选10μm至40μm，例如10μm至20μm或30μm至50μm。

根据至少一个实施方案，凹槽的平均间距尺寸为25μm至50μm，例如25μm至40μm，例如30μm。

根据至少一个实施方案，表面结构具有深度和间距尺寸，其中深度与间距尺寸的比率在2至0.1的范围内，优选在0.7至0.3的范围内，例如为0.5。

根据至少一个实施方案，转换元件包含另外的多晶Al₂O₃。以这种方式，可以进一步调节热导率。

根据至少一个实施方案，转换元件用本发明的方法来制造。

本发明还涉及包括根据本发明的转换元件的发光器件，其中发光器件还包括适于在发光器件的运行期间发射初级光的初级光源，例如半导体芯片，其中转换元件布置在初级光源的光束路径中，并且转换元件将初级辐射至少部分地转换成次级辐射。

发光器件包括本发明的转换元件。因此，结合本发明的转换元件或制造转换元件的方法所描述的特征也可以用于发光器件，反之亦然。

本发明的发明人观察到，由于由本发明的转换元件引起的改善的热导率和散热而使得相应的发光器件具有改善的光学性能。根据本发明的发光器件的至少一个实施方案，所述器件选自发光二极管(LED)和受激辐射式光放大器件(LASER)。

根据至少又一个实施方案，LED是高功率LED。

发光器件例如LED、高功率LED和LASER通常经受无效的散热。标准转换元件通常经受低的热导率，并因此导致发光器件内的温度升高，这可能导致器件的整体光学性能降低。

与之相比，本发明由于有效的散热而导致改善的光学性能。

以下参照示例性实施方案和相关附图更加详细地说明本文所述的方法、转换元件和发光器件，其中：

图1显示了示出根据本发明的实施方案和参照例的转换元件的表面形态的扫描电子显微镜图像。

图2A至图2D显示了根据本发明的实施方案的转换元件在不同放大倍数下的扫描电子显微镜图像。

图3和图4A至图4D为用于示出确定转换元件的第二相的组成的能量色散X射线(EDX)分析的结果的元素映射的图像。

图5为汇总了根据本发明的实施方案的转换元件的组成的EDX数据的表。

图6为光学性能(即以流明每瓦特[lm/W]为单位的转换量子效率(CQE))相对于色坐标的图，其汇总了了取决于烧结温度和表面结构的转换元件的实验数据。

图7示出了包括根据本发明的实施方案的转换元件的发光器件。

在附图中，相同或相似的要素或者以相同方式作用的要素设置有相同的附图标记。在每种情况下，附图均为示意图，因此不一定按真实比例。相反，为了清楚起见，可以将相对小的要素特别是层厚度过大地示出。

图1显示了烧结之后转换元件的扫描电子显微镜(SEM)图像。转换元件具有片的形状。图1的第一行图像显示了在1720℃的温度下烧结的参照转换元件。图1的第二行图像显示了根据本发明的优选实施方案的在1750℃的温度下烧结的转换元件。此外，图1的第三行图像显示了根据本发明的另一个实施方案的在1780℃下烧结的转换元件。前三列(即A列、B列和C列)的图像显示了具有有表面结构的表面的转换元件。表面结构包括限定深度的凹槽。与之相比，D列显示了其中表面未经结构化的转换元件。表面结构化通过LASER蚀刻来进行。转换元件如下所述来制造：

所有的转换元件均由相同的前体材料，即Lu₂O₃、Al₂O₃和CeO₂来制造，前体材料以化学计量量提供以产生Lu₃Al₅O₁₂:Ce(Ce含量为0.5原子％)。将前体材料的粉末与基于PVA的粘结剂和水以适当的比例混合，并通过球磨进一步混合并均匀化几天以获得浆料。将所得的浆料在PET膜上流延成型。获得厚度为约40μm的生坯片并干燥。在下一步骤中，将生坯片从PET膜上分层并切割成预定尺寸的部分(例如，尺寸为约2平方英寸至4平方英寸，且厚度为40μm)。此后，对所述部分进行多层层合，即，将它们布置在彼此的顶部上。以这种方式形成生坯片层合体。在此情况下，在彼此的顶部上布置6层以获得厚度为约240μm的生坯片层合体。然后将生坯片冲压成尺寸为2平方毫米的片，并在1150℃下煅烧30分钟以除去粘结剂。然后将经煅烧的片在湿润的H₂气氛中于1720℃、1750℃和1780℃下经受烧结2小时。烧结之后，在混合气体气氛中于1050℃下进行退火步骤60分钟。在煅烧、烧结和退火期间，片的厚度从约240μm减小至约150μm。在A列、B列和C列的图像中所示的转换元件的情况下，在烧结之前采用通过LASER蚀刻的表面结构化。制备具有表面结构的转换元件，所述表面结构包括平均深度为10μm、20μm、30μm和40μm的凹槽。对于在A列的图像中的各种转换元件可以看出特征性表面结构，A列显示了相对低的放大倍数下的转换元件(在B列的第一个图像中显示了表面结构的侧视图)。更高放大倍数的图像示于C列中。其中在1720℃下进行烧结的参照例的图像清楚地显示出，不能观察到可见的Al₂O₃单晶的第二相的形成。与之相比，在1750℃下形成了大量的Al₂O₃单晶。在1780℃下形成了甚至更大的Al₂O₃单晶。在高达1780℃的温度下，单晶趋于形成簇。由B列的最后一个图也证实了这一点。在这个图像中，可以观察到数个簇。与之相比，在1750℃的温度下未观察到簇形成，但是所获得的Al₂O₃单晶很好地分布在转换元件中和转换元件的表面(B行中间的图像)。具有结构化表面的转换元件(A列、B列、C列)与不具有结构化表面的转换元件(D列)的比较进一步说明，在烧结之前进行表面结构化的情况下，Al₂O₃单晶的分布显著改善。D列还显示出，即使在没有表面结构化的情况下，在约1750℃的温度下也获得最佳的晶体分布。

图2A至图2D显示了转换元件的扫描电子显微镜图像，所述转换元件具有有平行等距的凹槽的表面结构。凹槽彼此相交使得获得格子表面结构。所述转换元件在1750℃的温度下烧结。图2A至图2D的所有的SEM图像均在10kV的加速电压下以BSD(背散射电子检测器)模式记录。图2A以2500倍的放大倍数记录，图2B以3900倍的放大倍数记录，图2C以4000倍的放大倍数记录，以及图2D以7800倍的放大倍数记录。如可以从具有较低放大倍数的SEM图像中看出，由于表面结构化而获得Al₂O₃单晶的优异分布。Al₂O₃晶体可以容易地被识别为深色晶体。具有更高放大倍数的SEM图像清楚地显示Al₂O₃单晶具有六方微片的形状。

图3和图4A至图4D是用于示出确定转换元件的第二相的组成的能量色散X射线(EDX)分析的结果的元素映射图像。即，图3(对于图4A同样)示出了与图2D的转换元件相同的区域。在图3中，特别示出了元素铝(Al)和镥(Lu)。在图4B至图4D中示出了对于转换元件的相同区域中的元素氧(O)、铝(Al)和镥(Lu)的各个元素映射。EDX分析说明，用本发明方法制造的转换元件包含基于LuAG:Ce的第一相和具有Al₂O₃单晶的第二相。即，可以清楚地看出，深色的第二相(即具有六方微片形状的单晶)包含Al和O，但不包含Lu，因此确定了Al₂O₃单晶的形成。与之相比，第一相还包含Lu。

图5汇总了了针对根据本发明的实施方案并用本发明方法制造的转换元件获得的一些EDX数据。

图6为光学性能(即以流明每瓦特(lm/W)为单位测量的转换量子效率)相对于色坐标的图。对在1720℃、1750℃和1780℃的烧结温度下制造的转换元件进行测量。对未经表面结构化的转换元件以及具有包括深度为10μm、20μm、30μm和40μm的凹槽的表面结构的转换元件进行测量。图6的图中描绘的每个数据点均基于最少5次测量和最多20次测量。如可以从该图清楚地看出，对于在高于1720℃的温度下烧结的转换元件，可以观察到以lm/W为单位的量子效率的显著改善。关于转化量子效率的最佳结果是在1780℃的烧结温度下结合10μm的凹槽深度而获得的。然而，一般地，对于1750℃的烧结温度获得关于效率和色坐标的最佳总体性能。与不具有表面结构的转换元件相比，具有表面结构的转换元件表现出改善的性能。10μm至20μm的凹槽深度允许获得所得的转换元件的良好的光学性能和高的稳定性两者。

图7为根据本发明的实施方案的发光器件的示例性实施方案的示意图。所示的发光器件(1)为具有基底(5)，半导体芯片(2)，根据本发明的转换元件(3)，电触头(4)、(6)和接合线(7)的LED。半导体芯片(2)适于在运行期间发射UV光和/或蓝光(初级辐射)。转换元件布置在半导体芯片的光束路径中，并且将如从半导体芯片发射的初级辐射至少部分地转换成具有更长波长的次级辐射。转换元件可以具有至少一个结构化表面。

本专利申请要求美国专利申请16/101,270的优先权，其公开内容通过引用并入本文。

参照示例性实施方案进行的描述不使本发明受限于这些实施方案。相反，本发明包括任何新特征和特征的任何组合，特别包括权利要求中的特征的任何组合，即使该特征或该组合本身未在权利要求或示例性实施方案中明确指出。

附图标记

1 发光器件

2 半导体芯片

3 转换元件

4、6 电触头

5 基底

7 接合线

Claims

1.一种制造转换元件(3)的方法，包括：

B)将所述一种或更多种前体材料与粘结剂和溶剂混合从而获得浆料，

C)由步骤B)的所述浆料形成生坯

F)烧结所述生坯以获得所述转换元件(3)，其中烧结在高于1720℃的温度下进行。

2.根据前一权利要求所述的方法，其中烧结在高于1720℃且低于1780℃的温度下进行。

3.根据前述权利要求中的一项所述的方法，其中步骤A)包括提供包含镥的第一前体材料、包含铝的第二前体材料和包含稀土元素的第三前体材料。

4.根据前一权利要求所述的方法，其中所述第一前体材料为Lu₂O₃，所述第二前体材料为Al₂O₃以及所述第三前体材料为CeO₂。

5.根据前述权利要求中的一项所述的方法，其中在步骤B)中，混合通过球磨进行。

6.根据前述权利要求中的一项所述的方法，其中步骤C)的所述生坯包括生坯片，并且所述生坯片是在步骤C)中由步骤B)的所述浆料通过流延成型形成的。

7.根据前述权利要求中的一项所述的方法，还包括在步骤F)之前对所述生坯的表面进行结构化。

8.根据前一权利要求所述的方法，其中结构化包括形成具有限定深度的凹槽，其中所述深度为10μm至40μm。

9.根据前述权利要求中的一项所述的方法，其中在步骤A)之后不添加另外的包含铝的材料。

10.一种转换元件(3)，包含第一相和第二相，其中所述第一相包含镥、铝、氧和稀土元素，以及所述第二相包含Al₂O₃单晶。

11.根据权利要求10所述的转换元件(3)，其中所述第一相包含Lu₃Al₅O₁₂:Ce。

12.根据权利要求10或11所述的转换元件(3)，其中所述Al₂O₃单晶为六方单晶。

13.根据权利要求10至12中的一项所述的转换元件(3)，其中所述Al₂O₃单晶的平均晶体尺寸为1μm至10μm。

14.根据权利要求10至13中的一项所述的转换元件(3)，其中所述转换元件(3)具有表面结构，并且所述Al₂O₃单晶至少部分地从所述表面结构突出。

15.根据权利要求14所述的转换元件(3)，其中所述表面结构的深度为10μm至40μm。

16.根据权利要求10至15中的一项所述的转换元件(3)，由根据权利要求1至9中的一项所述的方法来制造。

17.一种发光器件(1)，包括根据权利要求10至15中的一项所述的转换元件(3)，其中所述发光器件(1)还包括适于在所述发光器件的运行期间发射初级光的初级光源，

其中所述转换元件(3)布置在所述初级光源的光束路径中，并且所述转换元件(3)将初级辐射至少部分地转换成次级辐射。

18.根据权利要求17所述的发光器件(1)，其中所述器件选自发光二极管(LED)和受激辐射式光放大器件(LASER)。