DE102005023134A1

DE102005023134A1 - Lumineszenzkonversions-LED

Info

Publication number: DE102005023134A1
Application number: DE102005023134A
Authority: DE
Inventors: Daniel Dr. Becker; Herbert Brunner; Tim Fiedler; Jörg Strauss; Martin Dr. Zachau
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH; Patent Treuhand Gesellschaft fuer Elektrische Gluehlampen mbH
Current assignee: Osram GmbH; Ams Osram International GmbH
Priority date: 2005-05-19
Filing date: 2005-05-19
Publication date: 2006-11-23
Also published as: US20110143627A1; WO2006122524A1; JP2008541465A; TWI392110B; JP5334573B2; US20090206352A1; DE112006000889A5; US8690629B2; TW200703718A; JP2012044225A

Abstract

Eine Lumineszenzkonversions-LED verwendet einen Leuchtstoff, der in Glas eingebettet ist. Dabei ist das Glas hochbrechend mit einem Brechungsindex von bevorzugt mindestens 1,7.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung geht aus von einer Lumineszenzkonversions-LED gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Es handelt sich dabei insbesondere um eine LED mit hoher Effizienz der Konversion.

Aus der US-A 2003/025449 ist bereits eine Lumineszenzkonversions-LED bekannt, bei der der Leuchtstoff in einer Umgebung aus glashaltigem Material eingebettet ist. Dieses zeigt höhere Stabilität als die üblichen Harze oder Silikone, vor allem bei Chips, die kurzwellige Primärstrahlung im UV oder blauen Spektralbereich emittieren. Dabei ist Glas, Glaskeramik oder Quarzglas als geeignet angesehen.

Aus der US-A 6 417 019 ist bekannt, zur Konversion des Leuchtstoffs eine Umgebung mit möglichst hohem Brechungsindex von mindestens 1,5, bevorzugt mehr als 2,1 zu benützen. Es ist allerdings keine konkrete Realisierung dafür angegeben.

Darstellung der Erfindung

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Lumineszenzkonversions-LED gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, die eine hohe Konversionseffizienz besitzt.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.

Die vorliegenden Erfindung basiert auf der Idee, die Verluste in der LED durch Sprünge im Brechungsindex der verschiedenen Materialien zu minimieren. Die Leuchtstoffe werden üblicherweise in ein umhüllendes Material eingebettet. An den Pulverpartikeln des Leuchtstoffs wird Primär- und Sekundärstrahlung gestreut, was zu Streuverlusten führt. Dieses umhüllende Material umgibt auch den Chip und stellt einen Lichtweg für die Auskopplung des Lichtstrahl aus der LED dar. Bekannte Hüllmaterialien sind Epoxidharze, Silikone sowie Hybride dieser beiden Materialklassen. Der Brechungsindex dieser Materialien wie auch gewöhnlicher Glasmaterialien liegt typisch bei n = 1,4 bis 1,6.

Durch gezielte Verwendung von Gläsern mit möglichst hohem Brechungsindex von mehr als 1,6, bevorzugt mindestens n = 1,7, lassen sich die damit zusammenhängenden Verluste verkleinern. Weiter ist vorteilhaft, dass das Material eine gute Transparenz im Bereich 400 bis 750 nm aufweist.

Zur Minimierung der Verluste durch Brechungsindexsprünge und Streuung am Leuchtstoff sollte der Brechungsindex des Glases einerseits demjenigen des Leuchtstoffs möglichst nahe kommen. Zur Maximierung der Austrittseffizienz des blauen Lichtes aus dem Halbleiterchip in einen Glas-Leuchtstoff-Konverterverbund sollte der Brechungsindex dieses Konverters andererseits möglichst demjenigen des Halbleiterchips nahe kommen. Im beispielhaften Fall des Leuchtstoffs YAG:Ce und einer blau emittierenden Halbleiter-LED des Typs InGaN sind die Brechungsindizes näherungsweise n = 1.8 und n = 2.2.

Eine weitere Randbedingung ist natürlich, dass die Emissionswellenlänge des Chips geeignet ist, den Leuchtstoff zur Emission anzuregen und dass das Hüllmaterial sowohl diese Primäremission als auch die Sekundäremission der Leuchtstoffe möglichst wenig absorbiert.

Daher ist es ein grundlegendes Erfordernis, den Leuchtstoff mit hochbrechendem Glas zu umhüllen. Leuchtstoffe können einen Brechungsindex von 1,7 bis mehr als 2 besitzen. In diesen Fällen soll der Leuchtstoff in ein möglichst hochbrechendes Medium eingebettet werden. Damit können Verluste, welche durch Streuung und Brechungsindexsprünge an den Partikeln des Leuchtstoffs und Totalreflexion, und damit höhere Verluste durch Absorption, in den Leuchtstoffpartikeln minimiert werden.

Vor allem sind Granat-Leuchtstoffe für eine derartige Vorgehensweise geeignet: zum einen weil sie ohnehin einen hohen Brechungsindex aufweisen (um n = 2), zum andern weil sie stabil sind gegen höhere Verarbeitungstemperaturen, wie sie beim Einbetten in Glas auftreten können. Auch einige oxinitridische Leuchtstoffe sind dafür besonders gut geeignet.

Der Leuchtstoff kann in Partikelform von Glas umschlossen werden, und anschließend in einem Glas oder Polymer dispergiert werden. Der Leuchtstoff kann aber auch direkt im Glas dispergiert werden und anschließend durch Umformen in die gewünschte Form gebracht werden. Ggf. ist auch eine nachgeschaltete Bearbeitung der Oberflächen vorteilhaft, beispielsweise durch Polieren, um gewünschte Oberflächen oder Formen zu erhalten. Die Dispergierung der Leuchtstoffpartikel in einem Glas erfolgt beispielsweise durch Erhitzen eines Gemischs von Leuchtstoff und gemahlenem Glaspulver. Das Schmelzen erfolgt beispielsweise in einem Tiegel aus Pt in einem Muffelofen bis zu einer Temperatur, bei der ein glasartiger Körper entsteht. Anschließend wird der Tiegel in einem Wasserbad abgeschreckt und der abgekühlte Glaskörper aus dem Tiegel entnommen. Dabei entsteht erst ab einer bestimmten Temperatur ein transparenter, glasartiger Körper, nämlich erst, sobald die Glaskomponente teilweise aufschmilzt.

Zur Herstellung des Leuchtstoff-Glas-Verbundkonverters sind verschiedene Verfahren möglich:

1. Verfahren: Sintern einer Mischung von Leuchtstoff- und Glaspulver auf eine Temperatur in der Nähe des Erweichungspunktes des Glases. Insbesondere kann die Mischung vorher gepresst werden um Lufteinschlüsse zu minimieren Mit dieser Methode kann eine relativ homogene Verteilung des Leuchtstoffs im Glas erreicht werden, solange die Temperatur nicht so hoch ist, dass eine Reaktion zwischen YAG-Partikel und Glas eintritt und die Viskosität des Glases stark absinkt und der Leuchtstoff im Glas sedimentiert. Die Abkühlung muss – abhängig von der Glasart – schnell erfolgen, um eine Kristallisation des Glases zu vermeiden. Zum Abkühlen kann das Glas in eine Form gegossen und optional sofort oder anschließend gepresst werden. Dieses Verfahren kann gut verwendet werden um gleichzeitig optische Eigenschaften zu vermitteln. Beispielsweise kann eine Linse geformt werden. In aller Regel wird dabei ein Agglomerieren der Leuchtstoffpartikel zuverlässig vermieden. Die Leuchtstoffpartikel sind mit diesem Verfahren dicht von Glas umschlossen.
2. Verfahren: Versprühen einer flüssigen Schmelze aus Glas oder geeigneten Precursormaterialien mit darin suspendiertem Leuchtstoffpulver. Beim Sprühen und dadurch bedingtem Expandieren tritt sofortige Abkühlung ein und es bilden sich von einer Glashülle umschlossene Leuchtstoffkörner. Diese können anschließend versintert werden.
3. Verfahren: Herstellen einer Schicht definierter Dicke aus Leuchtstoff und optional Binder und anderen Additiven auf einem Glassubstrat mit anschließender Sinterung bei einer Temperatur nahe dem Erweichungspunkt des Glases. Dabei sedimentieren die Leuchtstoffkörner in die obere Schicht des Glases ein. Insbesondere kann ein speziell geformtes, z.B. planes, und sogar poliertes Substrat verwendet werden. Diese Methode hat den Vorteil, dass die Form des Konverters, insbesondere die Planität, vor dem Einbringen des Leuchtstoffs weitgehend definiert werden kann, weil sie durch das Einbringen des Leuchtstoffs wenig beeinflusst wird. Damit können preiswerte Standardsubstrate oder zumindest Standardtechniken der Formung verwendet werden. Ein weiterer Vorteil ist, dass der Leuchtstoff nur auf einer Seite in das Substrat eindringt, so dass die abgewandte Seite weitgehend ungestört bleibt und ihre ursprünglichen Eigenschaften weitgehend behält, insbesondere die höhere mechanische Stabilität eines Glassubstrates ohne Einschlüsse.
4. Verfahren: Aufbringen einer Leuchtstoffschicht auf ein Substrat, bevorzugt direkt auf das Halbleitersubstrat, und Abscheiden von Glas aus der Gasphase in die Zwischenräume zwischen den Leuchtstoffkörnern. Die Herstellung von Glas aus der Gasphase ist an sich bekannt.

Geeignet sind grundsätzlich Gläser mit hohem Brechungsindex von typisch 1,7 oder mehr. Besonders geeignet sind Barytkrone-Gläser, Lanthankrone-Gläser und Schwerflintgläser. Ein hoher Brechungsindex wir durch Einbau von speziellen Ionen erreichen, gut geeignet sind Pb²⁺ Bi³⁺, Ba²⁺, Li⁺ und Ti⁴⁺.

Der Vorteil von Pb ist beispielsweise die niedrige Verarbeitungstemperatur und die geringe Neigung zur Entglasung. Ein typisches Bleiglas ist 15–30 % PbO, 3 bis 7 % Na2O und/oder K2O, Rest SiO2. diese Gläser besitzen einen niedrigen Erweichungspunkt (etwa 300 bis 500 °C) einen hohen thermischen Ausdehnungskoeffizienten, einen hohen Brechungsindex von etwa n = 1,8 und eine gute Transparenz im Bereich 300 bis 3000 nm. Eine typische Verarbeitungstemperatur ist hier 720 bis 880°C.

Bei der Klasse der hochbrechenden Gläser, die keine Schwermetalle wie Blei enthalten, zeigen sich insbesondere wismuthaltige Boratgläser als geeignet, die neben einer niedrigen Verarbeitungstemperatur auch hohe Brechungsindices in der Gegend von 2,0 bis 2,3 besitzen.

Insbesondere können derartige Gläser schließlich selbst besonders gut direkt zur Gestaltung optischer Eigenschaften, beispielsweise als Kuppe mit Linseneigenschaften, geformt werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Im folgenden soll die Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele näher erläutert werden. Es zeigen:
1 ein Halbleiterbauelement, das als Lichtquelle (LED) für weißes Licht dient;
2 eine REM-Aufnahme eines nach Verfahren 1 hergestellten Leuchtstoff-Glas-Verbunds;
3 eine REM-Aufnahme eines nach Verfahren 3 hergestellten Leuchtstoff-Glas-Verbunds.
4 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer LED.
Bevorzugte Ausführung der Erfindung
Für den Einsatz in einer weißen LED zusammen mit einem InGaN-Chip wird beispielsweise ein Aufbau ähnlich wie in US 5 998 925 beschrieben verwendet. Der Aufbau einer derartigen Lichtquelle für weißes Licht ist in 1 explizit gezeigt. Die Lichtquelle ist ein Halbleiterbauelement (Chip 1) des Typs InGaN mit einer Peak-Emissionswellenlänge von 460 nm mit einem ersten und zweiten elektrischen Anschluss 2, 3, das in ein lichtundurchlässiges Grundgehäuse 8 im Bereich einer Ausnehmung 9 eingebettet ist. Einer der Anschlüsse 3 ist über einen Bonddraht 14 mit dem Chip 1 verbunden. Die Ausnehmung hat eine Wand 17, die als Reflektor für die blaue Primärstrahlung des Chips 1 dient. Die Ausnehmung 9 ist mit einer Vergussmasse 5 gefüllt, die die Bestandteile Glas und Leuchtstoffpigmente 6 enthält. Die Leuchtstoffpigmente sind beispielsweise eine Mischung aus mehreren Pigmenten, darunter YAG:Ce. Eine Alternative ist TbAG:Ce. Die Herstellung erfolgt nach einem der Verfahren 1 oder 2.
Die REM-Aufnahme in 2 zeigt einen Querschliff eines festen Leuchtstoff-Glas Verbundes. Die Herstellung erfolgte nach Methode 1, genauer durch intensive Mischung von Glaspulver und Leuchtstoffpulver und nachfolgende Sinterung bei 1000°C für 1 h.
Die REM-Aufnahme zeigt erstens, dass die Granat-Leuchtstoffkörner ohne Luftspalte dicht von Glas umschmolzen sind, und dass es zweitens möglich ist, eine hohe Dichte von YAG-Partikeln in Glas zu erreichen ohne Auflösung der YAG-Partikel im Glas, und dass dies für Leuchtstoffkörner der unterschiedlichsten Form und Korngröße möglich ist. Dies Bild ist jedoch nur ein Beispiel und stellt in keiner Weise eine Einschränkung hinsichtlich der Dichte der YAG-Partikel im Glas, der Korngröße, der Kornverteilung oder der Kornform der Leuchtstoffpartikel sein. Diese sind im allgemeinen frei wählbar und können bauformabhängig optimiert werden.
Die REM-Aufnahme der 3 zeigt einen Leuchtstoff-Glas-Verbundkonverter, der nach Methode 3 hergestellt ist.
Eine weitere Ausführungsform ist eine LED, bei der dem Chip eine geeignet präparierte Glasplatte vorgeschaltet ist. In 4 ist die Lichtquelle ist ein Halbleiterbauelement (Chip 1) des Typs InGaN mit einer Peak-Emissionswellenlänge von 460 nm mit einem ersten und zweiten elektrischen Anschluss 2, 3, das in ein lichtundurchlässiges Grundgehäuse 8 im Bereich einer Ausnehmung 9 eingebettet ist. Einer der Anschlüsse 3 ist über einen Bonddraht 14 mit dem Chip 1 verbunden. Die Ausnehmung hat eine Wand 17, die als Reflektor für die blaue Primärstrahlung des Chips 1 dient. Die Ausnehmung 9 ist mit einer Vergussmasse 5 gefüllt, die als Hauptbestandteile Immersionsflüssigkeit enthält. Dem vorgeschaltet ist eine Glasplatte 8, die an ihrer Unterseite mit Pigmenten, darunter YAG:Ce, präpariert ist, nach einem der Verfahren 3 oder 4. Ein konkretes Beispiel des für die Glasplatte verwendeten Glases ist das Glas N-SF6 von Schott, das einen Brechungsindex von mehr als 2 hat und kein Blei enthält.
Als Matrix sind hier diejenigen hochbrechenden Gläser vorzuziehen, die relativ wenig Schwermetalle und insbesondere Blei enthalten. Wünschenswert sind eine niedrige Erweichungstemperatur und ferner eine relativ geringe Änderung der Viskosität mit der Temperatur am Erweichungspunkt. Ab etwa 800 °C diffundiert die Leuchtstoffschicht in die Glasplatte ein und lässt sich nicht mehr mechanisch entfernen.
Um den Einschluss von Gasblasen zu vermeiden, ist es vorteilhaft, das Glaspulver vor der Verarbeitung einer Temperaturbehandlung zu unterziehen. Eine Alternative ist es, den Schmelzprozess auf Temperaturen von mindestens 1200 °C anzuheben. Für eine sehr gute Homogenisierung wird eine Temperatur von 1400 bis 1500 °C empfohlen. Typische Homogenisierungs- und Läuterungsverfahren sind

– thermische Läuterung: Anhebung der Temperatur auf bis zu 1590 °C;
– mechanisches Rühren oder Ultraschall;
– Einleitung zusätzlicher Gase in den Wannenboden;
– chemische Läuterung, indem absichtlich große Gasblasen erzeugt werden; typische Läuterungsmittel sind dabei Na2SO4; dabei sollte eine Temperatur von mindestens 1300 °C gefahren werden. Allgemein sollte immer das Verfahren angewendet werden, das eine möglichst geringe Temperaturerhöhung erfordert

Beispiele besonders geeigneter Gläser sind Lanthankron, Lanthanschwerflint, Barytschwerflint sowie insbesondere Lanthanflint und Barytflint.
Die folgende Tabelle 1 zeigt zwei konkrete Beispiele. Die Zusammensetzung ist in Prozent angegeben. Tab. 1

Claims

Lumineszenzkonversions-LED mit einem strahlungsemittierenden Chip (2), der mit elektrischen Anschlüssen (3, 4) verbunden ist und von einem Gehäuse umgeben ist, das zumindest einen Grundkörper (6) und eine Kappe (8) umfasst, wobei der Chip (2) auf dem Grundkörper (6), insbesondere in einer Ausnehmung (5) des Grundkörpers, sitzt, und wobei die primäre Strahlung des Chips durch ein Konversionselement zumindest teilweise in längerwellige Strahlung umgewandelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Kappe (8) durch einen glasartigen Körper gebildet wird, wobei das Konversionsmittel im glasartigen Körper enthalten ist, wobei der Brechungsindex des glasartigen Körpers höher als 1,6, bevorzugt mindestens n = 1,7, beträgt.
LED nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der glasartige Körper von Kron- oder Flintgläsern gebildet wird.
LED nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der glasartige Körper von Barytflint, Borkron oder Lanthankronglas gebildet wird.
LED nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Leuchtstoff ein hochstabiler Leuchtstoff des Typs Granat oder Oxinitrid ist.
LED nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der glasartige Körper weitgehend frei von Schwermetallen, insbesondere von Bleioxid, ist.
LED nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der glasartige Körper auf einem wismuthaltigen Boratglas basiert.
LED nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der glasartige Körper mindestens eines der Ionen Pb²⁺, Bi³⁺, Ba²⁺, Li⁺ und Ti⁴⁺ enthält, in eiern Menge, die ausreicht um einen Brechungsindex von mindestens n ≥ 1,7 zu realisieren.
Verfahren zum Herstellen einer Lumineszenzkonversions-LED nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass während der Herstellung folgende Verfahrensschritte verwendet werden: a) Sintern einer Mischung von Leuchtstoff- und Glaspulver, insbesondere gepresst um Lufteinschlüsse zu minimieren, auf eine Temperatur in der Nähe des Erwei chungspunktes des Glases; b) schnelle Abkühlung.
Verfahren zum Herstellen einer Lumineszenzkonversions-LED nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass während der Herstellung folgende Verfahrensschritte verwendet werden: a) Herstellen einer flüssigen Schmelze aus Glas, oder geeigneten Precursormaterialien, mit darin suspendiertem Leuchtstoffpulver; b) Versprühen der flüssigen Schmelze.
Verfahren zum Herstellen einer Lumineszenzkonversions-LED nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass während der Herstellung folgende Verfahrensschritte verwendet werden: a) Herstellen einer Schicht definierter Dicke aus Leuchtstoff und optional Binder und anderen Additiven auf einem Glassubstrat; b) Sinterung bei einer Temperatur nahe dem Erweichungspunkt des Glases.
Verfahren zum Herstellen einer Lumineszenzkonversions-LED nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass während der Herstellung folgende Verfahrensschritte verwendet werden: a) Aufbringen einer Leuchtstoffschicht aus Partikeln auf ein Substrat, insbesondere direkt auf einen Chip; b) Abscheiden von Glas aus der Gasphase in die Zwischenräume zwischen den Leuchtstoffkörnern.