DE102010054279A1 - Verfahren zur Herstellung eines Strahlungskonversionselements, Strahlungskonversionselement und optoelektronisches Bauelement enthaltend ein Strahlungskonversionselement - Google Patents

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Abstract

Es wird ein Verfahren zur Herstellung eines Strahlungskonversionselements bereitgestellt, bei dem eine Lösung auf einem Substrat aufgebracht wird, aus der Lösung ein Gel gebildet wird und das Gel thermisch behandelt wird. Es wird weiterhin ein Strahlungskonversionselement bereitgestellt, das nach dem Verfahren hergestellt wird. Außerdem wird ein optoelektronisches Bauelement bereitgestellt, das ein Strahlungskonversionselement enthält.

Description

  • Es wird ein Verfahren zur Herstellung eines Strahlungskonversionselements angegeben sowie das Strahlungskonversionselement und ein optoelektronisches Bauelement mit dem Strahlungskonversionselement.
  • Strahlungskonversionselemente können beispielsweise auf Halbleiterchips von strahlungsemittierenden, optoelektronischen Bauelementen wie beispielsweise LEDs aufgebracht werden. Die LEDs emittieren Licht in einer bestimmten Wellenlänge, das von dem Strahlungskonversionselement in Licht anderer Wellenlänge konvertiert werden kann.
  • Eine Aufgabe einer Ausführungsform der Erfindung ist die Bereitstellung eines einfach durchzuführenden Verfahrens zur Herstellung eines Strahlungskonversionselements, mit dem ein Strahlungskonversionselement mit verbesserten Eigenschaften hergestellt werden kann. Weitere Aufgaben sind die Bereitstellung des Strahlungskonversionselements und eines optoelektronischen Bauelements, das das Strahlungskonversionselement enthält. Diese Aufgaben werden durch das Verfahren gemäß Anspruch 1, das Strahlungskonversionselement gemäß Anspruch 8 und das optoelektronische Bauelement gemäß Anspruch 15 gelöst. Weitere Ausführungsformen des Verfahrens und des Strahlungskonversionselements sind Gegenstand abhängiger Ansprüche.
  • Es wird ein Verfahren zur Herstellung eines Strahlungskonversionselements angegeben mit den Verfahrensschritten A) Bereitstellen eines Substrats und einer stabilen Lösung, die lumineszierende Dotierstoffprekusoren umfasst, B) Aufbringen der Lösung auf das Substrat, C) Hydrolyse und Kondensation der Lösung zur Bildung eines Gels, D) thermisches Behandeln des Gels zur Bildung einer Konversionsschicht auf dem Substrat. Die durch dieses Verfahren hergestellte Konversionsschicht kann eine kristalline oder glasartige, also amorphe Struktur aufweisen. Im Folgenden wird amorph im Zusammenhang mit der fertig hergestellten Konversionsschicht so verstanden, dass in ihr kristalline Dotierstoffpartikel vorhanden sein können.
  • Mit „Prekursor” im Zusammenhang mit Dotierstoffprekursoren sind Verbindungen gemeint, die im Laufe des Verfahrens chemische Reaktionen durchlaufen und somit verändert werden, aber den eigentlichen Dotierstoff, wie er nach dem Verfahrensschritt D) in der Konversionsschicht vorhanden ist, von Anfang an enthalten.
  • Mit diesem Verfahren wird also auf dem Substrat eine Lösung mit lumineszierenden Eigenschaften aufgebracht, die zu einer Gel-Schicht gebildet wird. Die Gel-Schicht, die im Verfahrensschritt D) weiterhin thermisch behandelt und damit zu einer kristallinen oder amorphen Konversionsschicht, die einen Dotierstoff enthält, gebildet wird, kann aufgrund der in der Schicht vorhandenen lumineszierenden Dotierstoffe Strahlung von einer Wellenlänge zu einer je nach Art des Dotierstoffs größeren oder kleineren Wellenlänge konvertieren.
  • Auch das Substrat kann strahlungskonvertierende Eigenschaften aufweisen, so dass die Konversionsschicht die bereits konvertierte Strahlung noch weiter konvertieren kann und somit eine Feinabstimmung der konvertierten Wellenlänge und damit des Farbeindrucks für einen äußeren Betrachter des emittierten Lichts bewirken kann. Damit kann beispielsweise eine weißes Licht emittierende Vorrichtung, in deren Strahlengang ein Strahlungskonversionselement mit den oben genannten Eigenschaften aufgebracht ist, ein kalt weißes Licht für Autobeleuchtungen oder ein warm weißes Licht für Beleuchtungen im Wohnbereich emittieren.
  • Mit dem Verfahren kann auf einfache Weise eine Konversionsschicht auf dem Substrat abgeschieden werden und damit eine Strahlungskonversionsschicht erhalten werden, die dicht ist, eine homogene Dotierung sowie eine geringe Dicke aufweist. Dieses Verfahren ist aufgrund der einfachen Durchführung auch industriell anwendbar.
  • Die Hydrolyse und Kondensation im Verfahrensschritt C) führt zu einer Vernetzung der Lösung und damit zur Bildung eines Gels. Die Reaktionen, die während der Hydrolyse und Kondensation stattfinden, sind in den Formeln (I) bis (III) angegeben: Rn-xM(OR)x + xH2O ↔ Rn-xM(OH)x + xROH (I) Rn-xM(OH)x + Rn-xM(OH)x ↔ (R)n-xM(OH)x-1-O-M(OH)x-1(R)n-x + (x – 1)HOH (II) Rn-xM(OH)x + Rn-xM(OR)x ↔ (R)n-xM(OH)x-1-O-M(OR)x-1(R)n-x + (x – 1)ROH (III)
  • In allen Formeln steht „R” für einen organischen Rest, beispielsweise unverzweigte oder verzweigte Alkylgruppen von beliebiger Länge. Die organischen Reste in den miteinander reagierenden Molekülen können gleich oder verschieden sein. „M” steht für ein Metall, das je nachdem, wie die durch das Verfahren gebildete Konversionsschicht zusammengesetzt sein soll, ausgewählt werden kann. „n” steht für die Wertigkeit des Metalls, von der die Anzahl der an M gebundenen Reste abhängt.
  • In Formel (I) ist die Hydrolyse eines substituierten Metallalkoxids mit Wasser gezeigt, bei der ein mit x Hydroxygruppen und n – x organischen Resten substituiertes Metall und ein Alkohol entstehen.
  • Gemäß der Formel (II) kann aus zwei Metallverbindungen, die jeweils mit x Hydroxygruppen und n – x organischen Resten substituiert sind, Wasser kondensiert werden. Dies kann gemäß Formel (III) auch zwischen einem Metall, das mit x Hydroxygruppen und n – x organischen Resten substituiert ist, und einem Metallalkoxid stattfinden. Die Reaktionen gemäß Formel (II) und (III) sind reversibel. Das Reaktionsschema gemäß den Formeln (I) bis (III) kann auch als Sol-Gel-Chemie bezeichnet werden.
  • Die Hydrolyse und Kondensation im Verfahrensschritt C) kann bei Raumtemperatur erfolgen.
  • Gemäß einer Ausführungsform kann der stabilen Lösung im Verfahrensschritt A) weiterhin ein Lösungsmittel und Metallprekusoren zugegeben werden. Geeignete Lösungsmittel können beispielsweise Alkohole, wie Isopropanol oder Ethanol, oder Säure-/Basekatalysatoren, wie Wasser mit HCl oder NH3 sein. Mit dem Lösungsmittel kann eine geeignete Verdünnung der Lösung erzielt werden, sowie die Trocknungsgeschwindigkeit und die Homogenisierung der Lösung beeinflusst werden. Je nach Trocknungsgeschwindigkeit kann die Viskosität des entstehenden Gels beeinflusst werden.
  • Mit „Prekursor” im Zusammenhang mit Metallprekursoren sind Verbindungen gemeint, die im Laufe des Verfahrens chemische Reaktionen durchlaufen und somit verändert werden, aber das Metall, das nach dem Verfahrensschritt D) in der Konversionsschicht vorhanden ist, von Anfang an enthalten.
  • Metallprekusoren, die der Lösung zugegeben werden, können aus einer Gruppe ausgewählt sein, die Metallalkoxide, -acetate, -chloride und -nitrate umfasst. Die Metalle dieser Verbindungen können beispielsweise aus einer Gruppe ausgewählt sein, die Al, Si, Ti und Zr umfasst. Allgemein haben Metallalkoxide die Formel M-O-R. M steht dabei für das Metall, R für einen organischen Rest, der beliebig gewählt werden kann.
  • Zusätzlich kann der Lösung noch Wasser zugegeben werden, um die Hydrolyse zu fördern. Weiterhin kann zur Stabilisierung der Lösung ein Komplexionsmittel zugegeben werden. Ein beispielhaftes Komplexionsmittel ist Acetylacetat. Das Verhältnis von dem Metall des Dotierstoffprekursors zu allen Metallen in der Lösung kann 0,5 bis 20 sein.
  • Die Dotierstoffprekursoren im Verfahrensschritt A) können aus einer Gruppe ausgewählt werden, die Metallalkoxide, -acetate, -chloride und -nitrate der Metalle Eu, Ce, Ir, Er und Cs umfasst. Die Dotierstoffprekursoren können auch als Nanopulver, das in der Lösung dispergiert ist, vorliegen. Damit werden der Lösung lumineszierende Dotierstoffprekursoren zugegeben, die im Verfahrensschritt C) zusammen mit den Metallprekursoren in der Lösung gemäß den Reaktionen der Formeln (I) bis (III) ein Gel bilden, also miteinander vernetzen. Sowohl die Metalle der Metallprekursoren als auch die Metalle der Dotierstoffprekursoren werden dabei in das Netzwerk eingebaut.
  • Das Aufbringen im Verfahrensschritt B) kann mittels einer Methode durchgeführt werden, die aus einer Gruppe ausgewählt ist, die Spin-Coating, Dip-Coating oder Spray-Coating umfasst. Mit diesen Methoden können besonders dünne Schichten aufgebracht werden, womit nach der Gel-Bildung und der thermischen Behandlung eine dünne Konversionsschicht, die strahlungskonvertierende Eigenschaften aufweist, resultieren kann. Eine geringe Dicke der Konversionsschicht auf dem Substrat führt dazu, dass die Konversionsschicht weitgehend transparent ausgebildet ist.
  • Die Aufbringungsmethoden, die in dem Verfahrensschritt B) verwendet werden, sind besonders kostengünstige Methoden im Vergleich zu herkömmlichen Aufbringungsmethoden, wie beispielsweise CVD, PVD oder Sputtern.
  • Durch das Aufbringen mittels Spin-Coating kann sowohl die Dicke der resultierenden Konversionsschicht als auch die Wellenlänge, in die Strahlung konvertiert wird, eingestellt werden, was wiederum durch die genau einstellbare Dicke bedingt ist.
  • Soll beispielsweise eine LED mit einem Strahlungskonversionselement bereitgestellt werden, sollte die Konversionsschicht so transparent wie möglich sein. Strahlungskonvertierende Materialien, die Strahlung zu Wellenlängen im grünen oder roten Bereich konvertieren, weisen häufig nichtkubische Kristallstrukturen auf, womit es schwierig ist, diese in transparente Materialien einzubringen. Daher ist es wichtig, diese Materialien so dünn wie möglich als strahlungskonvertierende, kristalline oder amorphe Konversionsschicht auf dem Substrat auszubilden, sodass ihre intrinsische Absorption und Streuung reduziert ist. Das kann mit einem Verfahren wie oben beschrieben erreicht werden.
  • Der Verfahrensschritt D) kann die Schritte D1) Trocknen des Gels, D2) Kalzinieren des Gels zur Bildung einer amorphen Schicht, D3) Pyrolyse der amorphen Schicht zur Bildung einer Konversionsschicht umfassen. In der Konversionsschicht ist somit der lumineszierende Dotierstoff eingebaut.
  • Damit ist das thermische Behandeln des Verfahrensschrittes D) in drei Teilschritte eingeteilt. Zunächst wird das Gel für einige Minuten bei leicht erhöhten Temperaturen, beispielsweise einer Temperatur aus dem Bereich 60°C bis 180°C getrocknet, dann bei höheren Temperaturen, beispielsweise einer Temperatur aus dem Bereich 400°C bis 600°C, kalziniert und schließlich einer Pyrolyse, beispielsweise bei einer Temperatur aus dem Bereich 600°C bis 1800°C, unterzogen. Die Pyrolyseatmospähre kann eine Sauerstoff-, Stickstoff- oder Formiergasatmosphäre sein. Durch die Kalzination kann aus der Gel-Schicht eine amorphe Schicht entstehen, die dann durch die Pyrolyse zu einer Konversionsschicht, die kristallin oder amporph ist, gebildet wird. Ist die Konversionsschicht amorph, können in ihr kristalline Dotierstoffpartikel eingelagert sein.
  • In einer Ausführungsform können die Verfahrensschritte B) bis D) mindestens zwei Mal wiederholt werden. Damit können mindestens zwei, aber auch mehrere übereinander liegende strahlungskonvertierende, Konversionsschichten auf das Substrat aufgebracht werden. Eine Wiederholung von bis zu acht Mal ist ebenso denkbar. Das wiederholte Aufbringen der Lösung auf das Substrat im Verfahrensschritt B) kann dabei nach dem Verfahrensschritt D1), nach dem Verfahrensschritt D2) oder nach dem Verfahrensschritt D3) erfolgen. Generell ist es sinnvoll, mehr Schichten aufzubringen, wenn diese dünner ausgeformt sind. Es können so viele Schichten übereinander aufgebracht werden, solange kein Peelingeffekt der Schichten auftritt.
  • Damit können mehrere, auch verschiedene Konversionsschichten auf dem Substrat erzeugt werden. Die einzelnen kristallinen oder amorphen Schichten können jeweils verschiedene Dicken und/oder verschieden hohe Dotierstoffkonzentrationen und/oder verschiedene Dotierstoffe aufweisen. Damit kann beispielsweise eine größere Dotierstoffkonzentration in den gesamten Konversionsschichten in jeweils sehr dünnen und damit transparenten einzelnen Schichten erzeugt werden. Es können auch mehrere Schichten aufgebracht werden, die aus denselben Lösungen hergestellt sind, um durch die Kombination dieser hergestellten Konversionsschichten den Effekt der Strahlungskonversion zu steigern.
  • Es wird also ein Verfahren bereitgestellt, bei dem eine Lösung auf beispielsweise ein strahlungskonvertierendes Substrat aufgebracht wird. Die Lösung enthält eine Mischung flüssiger Metallprekursoren und flüssiger Dotierstoffprekursoren, in einer Ausführungsform auch dispergierter nanopulverförmiger Dotierstoffprekursoren, die durch Hydrolyse und Kondensation zu einem Gel werden und nach einer thermischen Behandlung eine lumineszierende kristalline oder amorphe Konversionsschicht ergeben. Die strahlungskonvertierende Konversionsschicht kann als modifizierende Strahlungskonversionsschicht dienen, um die durch das strahlungskonvertierende Substrat konvertierte Strahlung noch genauer auf den gewünschten Farbton abzustimmen.
  • Die Konversionsschicht kann beispielsweise geringe Anteile von weiß farbiger Strahlung nach blau- oder gelbfarbiger Strahlung konvertieren, so dass eine kaltweiße Strahlung resultiert. Ist eine warmweiße Strahlung gewünscht, kann die Konversionsschicht so ausgeformt sein, dass geringe Anteile weißer Strahlung in Rottöne oder Grüntöne konvertiert werden.
  • Das Verfahren stellt eine einfache Technologie dar, um eine farbmodifizierende Konversionsschicht auf eine Konverterschicht, dem Substrat, aufzubringen. Das Substrat kann aber auch eine gegenüber Strahlung inaktive Schicht sein. Dann ist die Konversionsschicht auf dem Substrat die einzige Strahlungskonversionsschicht, die die Strahlung konvertiert.
  • Mit dieser Methode können besonders dünne Konversionsschichten, beispielsweise 10 nm dicke Schichten, hergestellt werden, was mit herkömmlichen Methoden nicht möglich ist. Durch die geringe Dicke der Schichten ist eine sehr genaue Einstellung des gewünschten Farbtons durch Strahlungskonversion möglich.
  • Weiterhin bietet das Verfahren, mit dem so dünne Konversionsschichten hergestellt werden, die Gelegenheit, auch nichttransparente, beispielsweise nichtkubische Materialien als sehr dünne Schicht aufzubringen, womit die Lichtransmission durch die Schicht hindurch nur geringfügig oder gar nicht vermindert wird.
  • Es wird weiterhin ein Strahlungskonversionselement bereitgestellt, das nach einem Verfahren gemäß einer der oben genannten Ausführungsformen hergestellt ist und ein Substrat und mindestens eine Konversionsschicht auf dem Substrat umfasst. Das Strahlungskonversionselement kann in einer Ausführungsform transparent sein. Damit kann Strahlung, die beispielsweise von einem Halbleiterchip, auf dem das Strahlungskonversionselement aufgebracht ist, emittiert wird, ungehindert durch das Strahlungskonversionselement hindurch austreten, und gleichzeitig die Wellenlänge der Strahlung konvertiert werden.
  • Das Substrat kann Strahlung konvertieren oder inaktiv gegenüber Strahlung sein. Ein strahlungskonvertierendes Substrat kann anorganisches Material umfassen. Es kann sich dabei beispielsweise um eine strahlungskonvertierende Stoffe enthaltende Keramik, ein lumineszentes Glas oder eine Glaskeramik handeln. Werden Keramiken als Substrat verwendet, können höhere Temperaturen bei der thermischen Behandlung im Verfahrensschritt D) angewandt werden, ohne dabei das Substrat zu beschädigen. Beispielsweise kann als Keramik eine YAG-Keramik verwendet werden, die bei Temperaturen von bis zu 1850°C stabil ist. Werden Gläser als Substrat verwendet, muss die Temperatur im Verfahrensschritt D) unterhalb der Glasübergangstemperatur liegen. Kalknatronglas hat beispielsweise einen Glasübergangspunkt bei 520 bis 600°C und Quarzglas bei etwa 1175°C.
  • Ein anorganisches strahlungskonvertierendes Substrat ist günstig, wenn weitere Funktionsschichten darauf abgeschieden werden sollen. Anorganische strahlungskonvertierende Substrate erlauben also das Aufbringen beispielsweise von zusätzlichen anorganischen Funktionsschichten, die bei höheren Temperaturen hergestellt werden müssen, um ihre Funktionseigenschaften herzustellen. Damit eignet sich ein anorganisches strahlungskonvertierendes Substrat also auch für das Aufbringen einer Konversionsschicht mittels des oben genannten Verfahrens, das eine thermische Behandlung umfasst.
  • Das Substrat kann aber auch nicht strahlungskonvertierende Eigenschaften haben und lediglich als Substrat für das Aufbringen und Herstellen der Konversionsschicht dienen. In diesem Fall ist die Konversionsschicht die einzige strahlungskonvertierende Schicht in dem Strahlungskonversionselement.
  • Die Konversionsschicht kann eine kristalline oder amorphe Struktur aufweisen. Dies ist bedingt durch das oben genannte Herstellungsverfahren. In der kristallinen oder amorphen Struktur kann ein Metall mit einem Anteil von 0,05 mol% bis 8 mol%, insbesondere von 1 mol% bis 5 mol% eingebaut sein. Das Metall kann ausgewählt sein aus einer Gruppe, die Eu, Ce, Ir, Er und Cs umfasst. Je nach Konzentration dieser Metalle, die Dotierstoffe sind, in der Konversionsschicht wird mehr oder weniger der durch die Konversionsschicht hindurch tretenden Strahlung konvertiert. Die Farbe, also die Wellenlänge der aus der Konversionsschicht austretenden Strahlung ist somit durch die Konzentration der Dotierstoffe in der Konversionsschicht abstimmbar.
  • Die Konversionsschicht kann eine Dicke aufweisen, die aus dem Bereich 10 nm bis 5 μm ausgewählt ist. Die Konversionsschicht kann beispielsweise 10 nm aufweisen. In diesem Fall können mehrere Konversionsschichten übereinander auf dem Substrat aufgebracht sein, um den Effekt der Strahlungskonversion zu erhöhen.
  • Zwischen dem Substrat und der Konversionsschicht kann eine gute Haftung durch die Herstellungsmethode erzielt werden.
  • Durch die im Verfahrensschritt C) stattfindende Hydrolyse und Kondensation können auch Bindungen zwischen einem anorganischen Substrat und der vernetzenden Gel-Schicht entstehen. Diese Bindungen bleiben auch während der anschließenden thermischen Behandlung im Verfahrensschritt D) bestehen, womit eine kovalente Bindung zwischen der Konversionsschicht und dem Substrat ausgebildet wird. Je rauer das Substrat ausgeformt ist, desto mehr Bindungen zu dem Gel können entstehen, und desto besser ist die Haftung der Konversionsschicht auf dem Substrat. Solche Bindungen können beispielsweise Bindungen zwischen OH-Gruppen des Substrats und des Gels sein.
  • Die Oberfläche der Konversionsschicht ist weiterhin einfach zu modifizieren, sodass gegebenenfalls eine Rauhigkeit hergestellt werden kann, die den Strahlungsaustritt aus der Konversionsschicht verbessert.
  • Schließlich wird noch ein optoelektronisches Bauelement bereitgestellt, das einen Träger, mindestens einen strahlungsemittierenden Halbleiterchip auf dem Träger und ein Strahlungskonversionselement gemäß den oben genannten Eigenschaften auf dem Halbleiterchip enthält. Das Strahlungskonversionselement kann die von dem Halbleiterchip emittierte Strahlung konvertieren. Dies kann entweder durch Konversion mittels eines strahlungskonvertierenden Substrats und einer konvertierenden Modifikation durch die Konversionsschicht geschehen, oder alleine durch die Konversionsschicht, wenn das Substrat inaktiv gegenüber Strahlung ist und die Konversionsschicht alleinige Strahlungskonversionsschicht ist.
  • Ein derart ausgestaltetes optoelektronisches Bauelement weist eine verbesserte Feinabstimmung der emittierten Strahlung auf, so dass die gewünschte Wellenlänge der emittierten Strahlung genau eingestellt werden kann.
  • Ein solches optoelektronisches Bauelement kann beispielsweise eine LED sein.
  • Anhand der Figur und des Ausführungsbeispiels soll die Erfindung noch näher erläutert werden.
  • 1 schematische Seitenansicht eines optoelektronischen Bauelements
  • 2 Schema der Verfahrensschritte des Verfahrens zur Herstellung eines Strahlungskonversionselements
  • 1 zeigt die schematische Seitenansicht eines optoelektronischen Bauelements, das einen Träger 10, einen strahlungsemittierenden Halbleiterchip 20, eine erste und zweite Kontaktierung 31 und 32, ein Gehäuse 40, einen Verguss 50, einen Bonddraht 33 und ein Strahlungskonversionselement 60 umfasst. Das Strahlungskonversionselement 60 enthält ein Substrat 61 und eine Konversionsschicht 62. Das Substrat 61 kann selbst strahlungskonvertierend sein oder inaktiv gegenüber Strahlung sein. Die Konversionsschicht 62 ist eine strahlungskonvertierende Schicht und kann je nach Ausgestaltung des Substrats eine Modifikation der Wellenlänge der durch das Substrat konvertierten Strahlung bewirken oder alleinige Strahlungskonversionsschicht sein. Der Halbleiterchip 20 kann Strahlung einer Wellenlänge emittieren, die durch das Strahlungskonversionselement 60 in eine gewünschte Wellenlänge konvertiert wird. Das Strahlungskonversionselement 60 sowie auch der Verguss 50 sind transparent ausgeformt.
  • Im Folgenden wird ein Beispiel für die Herstellung einer Konversionsschicht 62 auf einem Substrat 61 angegeben.
  • Zunächst wird eine Lösung hergestellt, die eine Mischung aus Metallprekursoren und lumineszierenden Dotierstoffprekursoren enthält. Metallprekursoren können Metallalkoxide, -acetate, -chloride oder -nitrate umfassen. Auch die Dotierstoffprekursoren können Metallalkoxide, -acetate, -chloride und -nitrate umfassen. Die Metalle der Metallprekursoren umfassen eines oder mehrere aus Al, Si, Ti und Zr, die Metalle der Dotierstoffprekursoren umfassen eines oder mehrere aus Eu, Ce, Ir, Er und Cs. Die Prekursoren können vor ihrer Mischung stabilisiert werden, um eine einfache Handhabung der Lösung zu erreichen und die Bildung von Sekundärphasen zu vermeiden.
  • Diese Lösung wird auf einem Substrat, beispielsweise einem anorganischen Substrat, das aus einer Keramik, einem Glas oder einer Glaskeramik gebildet ist, mittels Spin-Coating, Dip-Coating oder Spray-Coating aufgebracht. Die Lösung auf dem Substrat kondensiert und hydrolysiert bei Raumtemperatur zu einem Gel und wird anschließend für einige Minuten bei 110°C getrocknet. Dabei bildet sich ein hoher Vernetzungsgrad in der Gel-Schicht. Der Trocknungsschritt kann mehrere Male wiederholt werden, um die bevorzugte Schichtdicke zu erhalten.
  • Das so beschichtete Substrat wird anschließend in Sauerstoffatmosphäre bei Temperaturen von bis zu 600°C kalziniert, um organische Reste in dem Gel zu entfernen und die Bildung eines anorganischen, amorphen Netzwerkes zu ermöglichen.
  • Das kalzinierte Netzwerk auf dem Substrat wird anschließend bei höheren Temperaturen einer Pyrolyse unterzogen, um die Kristallisation der amorphen Schicht zu ermöglichen. Die Atmosphäre bei der Pyrolyse kann eine Sauerstoff-, Stickstoff- oder Formiergasatmosphäre sein. Die Auswahl der Atmosphäre erfolgt je nachdem wie das Material der amorphen Schicht zusammengesetzt ist, was für stöchiometrische Verhältnisse vorliegen und wie die Oxidationszustände der Dotierstoffe sind.
  • Die Intensität der Strahlungskonversion durch die Konversionsschicht hängt sowohl von der Dicke der Konversionsschicht als auch von der Konzentration des Dotierstoffs in dieser Schicht ab. Die Dicke der Konversionsschicht kann mittels der Aufbringtechnik im Verfahrensschritt B), der Viskosität der Lösung, also der Menge an Lösungsmittel in der im Verfahrensschritt A) bereitgestellten Lösung, und der Anzahl der hergestellten Konversionsschichten bestimmt werden. Je dicker die Schicht und je höher die Konzentration an Dotierstoffen, desto höher ist die Intensität der Strahlungskonversion, das heißt, desto mehr wird gesamte die Strahlung in Richtung höherer oder niedrigerer Wellenlängen verschoben.
  • Die Parameter der Aufbringungstechnik, beispielsweise die Spingeschwindigkeit oder -zeit, können variiert werden, um dickere beziehungsweise dünnere Konversionsschichten herzustellen. Dickere Schichten können hergestellt werden, in dem bereits vernetzte Lösungen mit dementsprechend hoher Viskosität bereitgestellt werden.
  • Wird die Beschichtung mehrmals wiederholt, können die Konversionsschichten ebenfalls dicker ausgebildet werden. Wiederholungen sind möglich nach dem Trocknen der Schicht im Verfahrensschritt D1), nach der Kalzination im Verfahrensschritt D2) oder nach der Pyrolyse im Verfahrensschritt D3). Diese Möglichkeiten, wann eine weitere Lösung zur Bildung einer weiteren Konversionsschicht aufgebracht werden kann, sind auch in 2 aufgezeigt, wo zudem auch noch die Verfahrensschritte A) Bereitstellen der Lösung und die Verfahrensschritte B) und C) Aufbringen der Lösung und Hydrolyse und Kondensation vor dem Verfahrensschritt D1) angegeben sind.
  • Die hier beschriebene Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.

Claims (15)

  1. Verfahren zur Herstellung eines Strahlungskonversionselements (60) mit den Verfahrensschritten: A) Bereitstellen eines Substrats (61) und einer stabilen Lösung, die lumineszierende Dotierstoffprekursoren umfasst, B) Aufbringen der Lösung auf das Substrat (61), C) Hydrolyse und Kondensation der Lösung zur Bildung eines Gels, D) Thermisches Behandeln des Gels zur Bildung einer Konversionsschicht (62) auf dem Substrat (61).
  2. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der stabilen Lösung im Verfahrensschritt A) weiterhin ein Lösungsmittel und Metallprekursoren zugegeben wird.
  3. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei für die im Verfahrensschritt A) bereitgestellte Lösung Metallprekursoren aus einer Gruppe ausgewählt werden, die Metallalkoxide, -acetate, -chloride und -nitrate umfasst.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Dotierstoffprekursoren im Verfahrensschritt A) aus einer Gruppe ausgewählt werden, die Metallalkoxide, -acetate, -chloride und -nitrate der Metalle Eu, Ce, Ir, Er und Cs umfasst.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Aufbringen im Verfahrensschritt B) mittels einer Methode durchgeführt wird, die aus einer Gruppe ausgewählt ist, die Spin-Coating, Dip-Coating oder Spray-Coating umfasst.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Verfahrensschritt D) die Schritte D1) Trocknen des Gels, D2) Kalzinieren des Gels zur Bildung einer amorphen Schicht, D3) Pyrolyse der amorphen Schicht zur Bildung einer Konversionsschicht (62).
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Verfahrensschritte B) bis D) mindestens zweimal wiederholt werden.
  8. Strahlungskonversionselement (60), hergestellt nach einem Verfahren gemäß den Ansprüchen 1 bis 7, umfassend ein Substrat (61) und mindestens eine Konversionsschicht (62) auf dem Substrat (61).
  9. Strahlungskonversionselement (60) nach dem vorgehenden Anspruch, das transparent ist.
  10. Strahlungskonversionselement (60) nach einem der Ansprüche 8 oder 9, wobei das Substrat (61) Strahlung konvertierend oder inaktiv gegenüber Strahlung ist.
  11. Strahlungskonversionselement (60) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das Strahlung konvertierende Substrat (61) ein anorganisches Material aufweist.
  12. Strahlungskonversionselement (60) nach einem der Ansprüche 8 bis 11, wobei die Konversionsschicht (62) eine kristalline oder amorphe Struktur aufweist.
  13. Strahlungskonversionselement (60) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei in der kristallinen oder amorphen Struktur ein Metall, das ausgewählt ist aus einer Gruppe, die Eu, Ce, Ir, Er und Cs umfasst, mit einem Anteil von 0,05 mol% bis 8 mol% eingebaut ist.
  14. Strahlungskonversionselement (60) nach einem der Ansprüche 8 bis 13, wobei die Konversionsschicht (62) eine Dicke aufweist, die aus dem Bereich 10 nm bis 5 μm ausgewählt ist.
  15. Optoelektronisches Bauelement enthaltend – einen Träger (10), – mindestens einen strahlungsemittierenden Halbleiterchip (20) auf dem Träger (10) und – ein Strahlungskonversionselement (60) gemäß den Ansprüchen 8 bis 14 auf dem Halbleiterchip (20).
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