DE102011010118A1

DE102011010118A1 - Keramisches Konversionselement, Halbleiterchip mit einem keramischen Konversionselement und Verfahren zur Herstellung eines keramischen Konversionselements

Info

Publication number: DE102011010118A1
Application number: DE102011010118A
Authority: DE
Inventors: wird später genannt werden Erfinder
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2011-02-02
Filing date: 2011-02-02
Publication date: 2012-08-02
Also published as: WO2012104141A1; JP2014504807A; JP2015165588A; JP5738438B2; CN105118913A; CN103339223B; US9076933B2; KR20130115342A; DE102011010118A8; KR101552780B1; CN103339223A; CN105118913B; JP6223381B2; US20130320384A1

Abstract

Es wird ein keramisches Konversionselement (1) mit einer aktiven keramischen Schicht (2) angegeben, die dazu geeignet ist, Strahlung eines ersten Wellenlängenbereichs in Strahlung eines vom ersten Wellenlängenbereich verschiedenen, zweiten Wellenlängenbereichs umzuwandeln. Weiterhin umfasst das keramische Konversionselement (1) eine Trägerschicht (3), die für Strahlung des ersten Wellenlängenbereichs und/oder Strahlung des zweiten Wellenlängenbereichs durchlässig ist.

Description

Es wird ein keramisches Konversionselement, ein Halbleiterchip mit einem keramischen Konversionselement und ein Verfahren zur Herstellung eines keramischen Konversionselements angegeben.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein keramisches Konversionselement anzugeben, das leicht und einfach in der Handhabung ist.
Weiterhin ist es Aufgabe der vorliegenden Anmeldung, ein Verfahren zur Herstellung eines solchen keramischen Konversionselements anzugeben.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Halbleiterchip anzugeben, der dazu geeignet ist, weißes mischfarbiges Licht im warmweißen Bereich auszusenden.
Diese Aufgaben werden durch ein keramisches Konversionselement mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, durch einen strahlungsemittierenden Halbleiterchip mit den Merkmalen des Patentanspruchs 12 und durch ein Verfahren mit den Schritten des Patentanspruchs 15 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausführungsformen des keramischen Konversionselements, des Halbleiterchips und des Verfahrens sind jeweils in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Ein keramisches Konversionselement umfasst insbesondere:

– eine aktive keramische Schicht, die dazu geeignet ist, elektromagnetische Strahlung eines ersten Wellenlängenbereichs in elektromagnetische Strahlung eines vom ersten Wellenlängenbereich verschiedenen, zweiten Wellenlängenbereichs umzuwandeln,
– eine Trägerschicht, die für elektromagnetische Strahlung des ersten Wellenlängenbereichs und/oder elektromagnetische Strahlung des zweiten Wellenlängenbereichs durchlässig ist.

Ist das Konversionselement dazu vorgesehen, Mischlicht, beispielsweise weißer Farbe, auszusenden, das konvertierte und unkonvertierte Strahlung umfasst, so transmittiert die Trägerschicht bevorzugt mindestens 75%, besonders bevorzugt mindestens 90% Prozent der Strahlung des ersten und des zweiten Wellenlängenbereichs.
Ist das Konversionselement dazu vorgesehen, Strahlung des ersten Wellenlängenbereichs möglichst vollständig in Strahlung des zweiten Wellenlängenbereichs umzuwandeln, so transmittiert die Trägerschicht bevorzugt mindestens 75%, besonders bevorzugt mindestens 90% der Strahlung des zweiten Wellenlängenbereichs und absorbiert bevorzugt Strahlung des ersten Wellenlängenbereichs derart, dass maximal 10% dieser Strahlung das Konversionselement durchdringen können. Bei dieser Ausführungsform ist die Trägerschicht besonders bevorzugt zur Auskoppelseite des Halbleiterchips hin angeordnet.
Die Trägerschicht ist dazu vorgesehen, die aktive, keramische Schicht mechanisch zu stabilisieren. Vorteilhafterweise ist es durch Verwendung der Trägerschicht möglich, aktive keramische Schichten zur Wellenlängenkonversion zu verwenden, die selber nicht freitragend sind. Daher ist es möglich, die aktive keramische Schicht derart dünn auszugestalten, dass eine höhere Aktivatorkonzentration verwendet werden kann und so ein breiterer Bereich eines zu erzielenden Farbortes in Kombination mit einem vorgegebenen Halbleiterkörper erreicht werden kann.
Es ist somit möglich, die Konversionswirkung des Konversionselements mit Hilfe der Dicke der aktiven keramischen Schicht einzustellen, wobei beliebig dünne aktive Schichten realisiert werden können und so ein breiter Farbortbereich in Kombination mit einem vorgegebenen Halbleiterkörper erreicht werden kann. Ein besonderer Vorteil liegt darin, dass die Einstellung der Konversionswirkung nicht über den Aktivatorgehalt im Leuchtstoff erfolgt, sondern über die Dicke der aktiven keramischen Schicht. Daher können Leuchtstoffe mit vergleichsweise hohen Aktivatorkonzentrationen verwendet werde, wie sie beispielsweise bei Konversionsplättchen Verwendung finden, deren Leuchtstoffe in Partikelform in eine Silikonmatrix eingebracht sind. Auf diese Art und Weise lassen sich unerwünschte Veränderungen der Leuchtstoff-Lichtfarbe, die häufig durch Änderungen der Aktivatorkonzentration verursacht werden, vermeiden. Mittels einer dünnen aktiven keramischen Schicht ist in der Regel weiterhin eine Effizienzsteigerung und eine homogenere Farbverteilung des Konversionselements möglich.
Gemäß einer Ausführungsform weist das Konversionselement eine einzige aktive Schicht und eine einzige Trägerschicht auf. Das Konversionselement kann auch aus einer einzigen aktiven keramischen Schicht und einer einzigen Trägerschicht gebildet sein.
Weiterhin ist es auch möglich, dass das Konversionselement mehrere aktive Schichten und mehrere Trägerschicht umfasst. Diese sind bevorzugt alternierend angeordnet.
Gemäß einer Ausführungsform ist das Konversionselement aus einer aktiven Schicht gebildet, die jeweils von einer weiteren Trägerschicht gekapselt ist, das heißt auf jeder Hauptseite der aktiven Schicht ist jeweils eine Trägerschicht aufgebracht. Die aktive keramische Schicht bildet hierbei bevorzugt jeweils eine gemeinsame Grenzfläche mit der jeweiligen Trägerschicht aus. Die Kapselung der aktiven Schicht zwischen zwei in der Regel inerten Trägerschichten kann mit Vorteil die Lebensdauer des keramischen Konversionselements erhöhen.
Die aktive keramische Schicht kann beispielsweise einen der folgenden Leuchtstoffe aufweisen oder aus einem der folgenden Leuchtstoffe gebildet sein: mit Metallen der seltenen Erden dotierte Granate, mit Metallen der seltenen Erden dotierte Erdalkalisulfide, mit Metallen der seltenen Erden dotierte Thiogallate, mit Metallen der seltenen Erden dotierte Aluminate, mit Metallen der seltenen Erden dotierte Silikate, wie Orthosilikate, mit Metallen der seltenen Erden dotierte Chlorosilikate, mit Metallen der seltenen Erden dotierte Erdalkalisiliziumnitride, mit Metallen der seltenen Erden dotierte Oxynitride und mit Metallen der seltenen Erden dotierte Aluminiumoxinitride, mit Metallen der seltenen Erden dotierte Siliziumnitride, Sialone.
Als Leuchtstoffe können insbesondere Granate, wie Yttriumaluminiumoxid (YAG), Lutetiumaluminiumoxid (LuAG) und Terbiumaluminiumoxid (TAG) verwendet werden.
Die Leuchtstoffe sind beispielsweise mit einem der folgenden Aktivatoren dotiert: Cer, Europium, Terbium, Praesodym, Samarium, Mangan.
Gemäß einer Ausführungsform des Konversionselements weist die aktive Schicht eine Dicke kleiner oder gleich 100 μm, bevorzugt kleiner oder gleich 50 μm, besonders bevorzugt kleiner oder gleich 25 μm, auf.
Gemäß einer Ausführungsform weist die keramische aktive Schicht einen Leuchtstoff auf, dessen Aktivator eine Konzentration zwischen einschließlich 2% und einschließlich 5% aufweist. Besonders bevorzugt wird bei dieser Ausführungsform YAG:Ce als Leuchtstoff verwendet.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das Produkt aus der Dicke der keramischen Schicht und der Aktivatorkonzentration in etwa konstant. Besonders bevorzugt beträgt das Produkt aus der Dicke der keramischen Schicht und der Aktivatorkonzentration in Prozent etwa 50 μm^–1. Besonders bevorzugt wird auch bei dieser Ausführungsform YAG:Ce als Leuchtstoff verwendet.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Konversionselements ist die Trägerschicht wie die aktive Schicht aus einem keramischen Material gebildet. Das Material für eine keramische Trägerschicht ist zweckmäßigerweise so auszuwählen, dass es bei den für die Herstellung des Konversionselements erforderlichen Sintertemperaturen lediglich geringfügig mit dem Leuchtstoff der aktiven Schicht chemisch reagiert. Als Material für die keramische Trägerschicht ist beispielsweise eines der oben genannten Materialien für die Leuchtstoffe geeignet, das jedoch keinen Aktivator aufweist. Besonders bevorzugt ist die keramische Trägerschicht aus undotiertem Leuchtstoffmaterial ohne Aktivator gebildet, der in mit Aktivator dotierter Form für die aktive Schicht Verwendung findet. Weiterhin kann auch eine zu dem verwendeten Leuchtstoff verwandte bzw. kompatible Substanz für die Trägerschicht Verwendung finden.
Besonders bevorzugt ist die Trägerschicht im Wesentlichen frei von Aktivatorionen der Leuchtstoffe. Mit anderen Worten weist die Trägerschicht bevorzugt keine oder lediglich vernachlässigbare wellenlängenkonvertierende Eigenschaften auf. Besonders bevorzugt beträgt die Aktivatorkonzentration gemittelt über das Gesamtvolumen der Trägerschicht maximal ¼ der Aktivatorkonzentration in der aktiven keramischen Schicht.
Besonders bevorzugt wird als Material für die aktive keramische Schicht ein Granatleuchtstoff, wie beispielsweise Y₃Al₅O₁₂:Ce(YAG:Ce) verwendet. Ein Konversionselement mit einer aktiven keramischen Schicht, die aus YAG:Ce gebildet ist, weist folglich bevorzugt eine Trägerschicht auf, die aus undotiertem YAG ohne Aktivator gebildet ist.
Weiterhin ist als Material für die Trägerschicht auch Aluminiumoxid geeignet. Aluminiumoxid ist insbesondere eine zu YAG:Ce verwandte bzw. kompatible Substanz.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das keramische Konversionselement eine Dicke zwischen einschließlich 50 μm und einschließlich 200 μm, bevorzugt zwischen 80 μm und 200 μm auf.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das keramische Konversionselement eine Dicke zwischen einschließlich 50 μm und einschließlich 180 μm, bevorzugt zwischen 80 μm und 180 μm auf.
Ein solches keramisches Konversionselement kann mit Vorteil besonders einfach gehandhabt werden.
Gemäß einer Ausführungsform des Konversionselements ist zwischen der aktiven Schicht und der Trägerschicht eine Inhibitorschicht angeordnet, die dazu geeignet ist, die Diffusion von Aktivatorionen aus der aktiven keramischen Schicht in die Trägerschicht zumindest zu verringern.
Besonders bevorzugt ist die Inhibitorschicht sehr dünn ausgebildet. Gemäß einer Ausführungsform des Konversionselements weist die Inhibitorschicht eine Dicke kleiner oder gleich 5 μm auf.
Besonders bevorzugt ist die Inhibitorschicht aus einem keramischen Material gebildet.
Die Inhibitorschicht kann beispielsweise aus Aluminiumoxid gebildet sein oder Aluminiumoxid enthalten. Aluminiumoxid kann insbesondere dazu geeignet sein, die Diffusion von Cerium aus YAG:Ce enthaltenden aktiven keramischen Schicht in eine undotierte YAG-Trägerschicht zumindest zu verringern.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Konversionselements weist die Trägerschicht Streuzentren auf, die dazu geeignet sind, elektromagnetische Strahlung des ersten Wellenlängenbereichs und/oder des zweiten Wellenlängenbereichs zu streuen. Als Streuzentren sind beispielsweise Poren oder Partikel innerhalb der keramischen Trägerschicht vorgesehen. Die Streuzentren weisen bevorzugt einen Durchmesser zwischen einschließlich 1,5 μm und einschließlich 0,5 μm auf. Besonders bevorzugt weisen die Streuzentren einen Brechungsindex auf, der um mindestens 0,1 von dem Brechungsindex des Materials der Trägerschicht abweicht. Als Streuzentren können beispielsweise Partikel verwendet sein, die eines der folgenden Materialien aufweisen oder aus einem der folgenden Materialien bestehen: Aluminiumoxid, Siliziumoxid, Titanoxid. Solche Partikel sind insbesondere geeignet, in Verbindung mit einer Trägerschicht, die aus undotiertem YAG gebildet ist, verwendet zu werden. Durch den gezielten Einbau von Streuzentren in die Trägerschicht kann die Homogenität der Abstrahlcharakteristik des Konversionselements verbessert werden. Weiterhin kann mittels der Streuzentren ein neutraler Farbeindruck des Konversionselements im inaktiven Zustand erzielt werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Trägerschicht zumindest ein Pigment auf, das dazu geeignet ist, dem Konverterelement eine bestimmte Färbung zu verleihen. Hierdurch kann vorteilhafterweise ein bestimmter Farbeindruck des Konverterelements erzielt werden.
Das keramische Konversionselement ist bevorzugt dazu geeignet, die Strahlung eines Halbleiterkörpers zumindest teilweise in Strahlung eines anderen Wellenlängenbereichs umzuwandeln.
Ein strahlungsemittierender Halbleiterchip umfasst insbesondere:

– einen Halbleiterkörper, der dazu geeignet ist, elektromagnetische Strahlung eines ersten Wellenlängenbereichs von einer Strahlungsaustrittsfläche auszusenden, und
– ein keramisches Konversionselement wie bereits beschrieben.

Besonders bevorzugt wandelt das keramische Konversionselement lediglich einen Teil der Strahlung des Halbleiterkörpers in Strahlung des zweiten Wellenlängenbereichs um und transmittiert einen weiteren Teil der von dem Halbleiterkörper ausgesandten Strahlung. Auf diese Art und Weise lässt sich mischfarbiges, beispielsweise weißes, Licht erzeugen.
Besonders bevorzugt sendet der Halbleiterkörper Licht aus dem blauen Spektralbereich aus. Besonders bevorzugt ist das keramische Konversionselement dazu vorgesehen, einen Teil des blauen Lichts des Halbleiterkörpers in Licht aus dem gelben Spektralbereich umzuwandeln. Auf diese Art und Weise kann mischfarbiges, weißes Licht erzeugt werden. Eine wellenlängenkonvertierende aktive keramische Schicht, die dazu geeignet ist, blaues Licht in gelbes Licht umzuwandeln, weist bevorzugt YAG:Ce als Leuchtstoff auf.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Halbleiterchips sendet der Halbleiterkörper Strahlung aus dem ultravioletten Spektralbereich, bevorzugt zwischen 380 nm und 420 nm, aus. Das ultraviolette Licht des Halbleiterkörpers wird durch das keramische Konversionselement bevorzugt in sichtbares Licht umgewandelt. Besonders bevorzugt wandelt das keramische Konversionselement hierbei die Strahlung des Halbleiterkörpers möglichst vollständig in Strahlung eines zweiten Wellenlängenbereichs um. Zur Erzeugung von weißem Licht umfasst das Konversionselement hierbei in der Regel zumindest zwei verschiedene Leuchtstoffe, beispielsweise einen Leuchtstoff, der ultraviolette Strahlung in blaue Strahlung umwandelt und einen weiteren Leuchtstoff, der ultraviolette Strahlung in gelbe Strahlung umwandelt. Zur Konversion von ultraviolettem Licht werden bevorzugt Leuchtstoffe eingesetzt, die mit Europium als Aktivator dotiert sind.
Das keramische Konversionselement ist bevorzugt derart angeordnet, dass ein Großteil der von dem Halbleiterkörper ausgesandten Strahlung durch das Konversionselement hindurch treten kann.
Besonders bevorzugt ist die aktive Schicht des Konversionselements in direktem Kontakt auf die Strahlungsaustrittsfläche des Halbleiterkörpers aufgebracht. Auf diese Art und Weise kann Wärme, die im Betrieb in der aktiven keramischen Schicht aufgrund der Stokes-Verschiebung entsteht, über den Halbleiterkörper abgeleitet werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Trägerschicht von der Strahlungsaustrittsfläche des Halbleiterkörpers abgewandt. So ist es vorteilhafterweise möglich, dass eine mit Streuzentren und/oder Pigmenten versehene Trägerschicht des Konversionselements den Farbeindruck für einen externen Betrachter beeinflusst.
Besonders bevorzugt sendet der strahlungsemittierende Halbleiterchip mischfarbiges, weißes Licht mit einer Farbtemperatur zwischen einschließlich 4000 K und einschließlich 6000 K auf der Planckkurve aus.
Gemäß einer Ausführungsform weist der Halbleiterchip einen Halbleiterkörper auf, der Strahlung aus dem blauen Spektralbereich aussendet, sowie ein keramisches Konversionselement mit einer aktiven keramischen Schicht, die auf einem YAG:Ce-Leuchtstoff basiert. Teile des Yttriums der YAG:Ce-Keramik können hierbei durch Gadolinium ersetzt sein. Durch die Ersetzung von Yttrium durch Gadolinium innerhalb des Wirtsgitters verändert sich die Gitterkonstante des Wirtsgitters wodurch die Emissionswellenlänge des Aktivators eine Verschiebung hin zu längeren Wellenlängen erfährt. Auf diese Art und Weise ist es mit Vorteil möglich einen Halbleiterchip zu schaffen, der weißes Licht mit einem Farbort unterhalb der Planckkurve aussendet.
Ein Verfahren zur Herstellung eines keramischen Konversionselements umfasst die folgenden Schritte:

– Bereitstellen einer Trägerschicht oder einer Grünfolie als Basis für eine Trägerschicht,
– Aufbringen einer Grünfolie als Basis für eine aktive keramische Schicht oder Aufbringen einer Pulverdispersion als Basis für die aktive keramische Schicht auf die Trägerschicht oder auf die Grünfolie, die als Basis für die Trägerschicht dient, und
– Sintern des Schichtverbundes.

Sollen die aktive keramische Schicht und die Trägerschicht jeweils aus einer Keramik gebildet werden, so wird bevorzugt eine entsprechende Grünfolie als Basis für die Trägerschicht zur Verfügung gestellt. Auf diese kann nun entweder eine weitere Grünfolie als Basis für eine aktive keramische Schicht auflaminiert werden oder eine entsprechende Pulverdispersion als Basis für die aktive keramische Schicht auf die Grünfolie aufgebracht werden.
Die Pulverdispersion kann beispielsweise mittels Aufsprühen oder Aufsedimentieren aufgebracht werden.
Durch Laminieren entsprechender Grünfolien kann ein beliebiger Schichtverbund aus keramischen Trägerschichten und aktiven keramischen Schichten erzielt werden. Beim Laminieren werden zwei oder mehrere Grünfolien durch Beaufschlagung mit Druck und ggf. Temperatur miteinander verbunden.
Um eine beliebig dicke keramische Trägerschicht zu schaffen, können auch mehrere gleichartige Grünfolien als Basis für eine Trägerschicht übereinander laminiert werden.
Auch die Inhibitorschicht kann auf Basis einer Grünfolie erzeugt und in den Schichtstapel einlaminiert werden.
Insbesondere zur Erzeugung besonders dünner keramischer Schichten, wie beispielsweise einer keramischen Inhibitorschicht oder einer keramischen aktiven Schicht ist die Beschichtung eines entsprechenden Trägermaterials durch Sprühen oder Aufsedimentieren möglich.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Ausführungsbeispielen.
Die 1 bis 4 zeigen jeweils eine schematische Schnittdarstellung eines keramischen Konversionselements gemäß jeweils einem Ausführungsbeispiel.
Die 5 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines Halbleiterchips gemäß einem Ausführungsbeispiel.
Die 6 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines Bauelements mit einem Halbleiterchip gemäß einem Ausführungsbeispiel.
Die 7 zeigt Messwerte der Farborte cy und cy für verschiedene keramische Konversionselemente in Abhängigkeit der Aktivatorkonzentration.
Die 8 zeigt simulierte Werte des Temperaturverlaufs innerhalb eines keramischen Konversionselements mit einer aktiven Schicht und einer keramischen Schicht und innerhalb eines herkömmlichen keramischen Konversionselements.
Die 9A bis 9C zeigen schematische Schnittsdarstellungen eines keramischen Konversionselements in drei verschiedenen Verfahrensstadien gemäß einem Ausführungsbeispiel.
Gleiche, gleichartige oder gleich wirkende Elemente sind in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen. Die Figuren und die Größenverhältnisse der in den Figuren dargestellten Elemente untereinander sind nicht als maßstäblich zu betrachten. Vielmehr können einzelne Elemente, insbesondere Schichtdicken zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein.
Das keramische Konversionselement 1 gemäß dem Ausführungsbeispiel der 1 weist eine aktive keramische Schicht 2 auf, die dazu geeignet ist, Strahlung eines ersten Wellenlängenbereichs in Strahlung eines zweiten Wellenlängenbereichs umzuwandeln. Hierzu ist die aktive keramische Schicht 2 aus einem gesinterten Leuchtstoff gebildet. Bei dem Leuchtstoff kann es sich beispielsweise um YAG:Ce handeln. Die Dicke der aktiven keramischen Schicht 2 liegt bevorzugt deutlich unter 100 μm, besonders bevorzugt unter 50 μm bei etwa 25 μm. Bei Verwendung einer solchen vergleichsweise dünnen aktiven, keramischen Schicht 2 kann vorteilhafterweise YAG:Ce mit einer hohen Aktivatorkonzentration als Leuchtstoff verwendet sein, wie er auch in einem Konversionsplättchen verwendet ist, bei dem Leuchtstoffpartikel in einem Harz eingebettet sind.
Besonders bevorzugt beträgt das Produkt aus der Dicke der aktiven keramischen Schicht 2 und der Aktivatorkonzentration in Prozent in etwa 50 μm^–1. Das bedeutet, dass die Aktivatorkonzentration bei einer Dicke der keramischen Schicht 2 von etwa 25 μm, einen Wert von etwa 2% aufweist.
Weiterhin umfasst das keramische Konversionselement 1 eine Trägerschicht 3, die durchlässig ist für Strahlung des ersten und/oder des zweiten Wellenlängenbereichs. Die Trägerschicht 3 und die aktive keramische wellenlängenkonvertierende Schicht 2 sind in direktem Kontakt aufeinander aufgebracht und bilden daher eine gemeinsame Grenzfläche aus. Die Trägerschicht 3 kann beispielsweise aus einem undotierten keramischen YAG-Material gebildet sein. Weiterhin ist beispielsweise auch Aluminiumoxid als Material für die Trägerschicht 3 geeignet.
Die Trägerschicht 3 ist vorliegend dazu vorgesehen, die dünne aktive keramische Schicht 2 mechanisch zu stabilisieren. Die Trägerschicht 3 erhöht die Dicke des gesamten keramischen Konversionselements 1 derart, dass dieses bevorzugt eine Dicke zwischen 80 und 180 μm aufweist.
Das keramische Konversionselement 1 gemäß dem Ausführungsbeispiel der 2 weist im Unterschied zu dem keramischen Konversionselement 1 der 1 Streuzentren 4 innerhalb der Trägerschicht 3 auf. Als Streuzentren 4 können beispielsweise Poren oder Partikel dienen, die ein anderes Material aufweisen als das Material der Trägerschicht 3. Die Streuzentren 4 weisen bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel vorwiegend einen Durchmesser von cirka 1 μm auf. Durch den gezielten Einbau von Streuzentren 4 in der Trägerschicht 3 kann die Abstrahlhomogenität des keramischen Konversionselements 1 verbessert werden. Weiterhin kann die Trägerschicht 3 Pigmente aufweisen, die ihr eine gewünschte Färbung verleihen.
Das keramische Konversionselement 1 gemäß dem Ausführungsbeispiel der 3 weist eine aktive keramische Schicht 2 auf, die von zwei Trägerschichten 3 gekapselt ist. Jeweils auf einer Hauptseite der aktiven keramischen Schicht 2 ist hierbei eine Trägerschicht 3 in direktem Kontakt mit der jeweiligen Hauptseite angeordnet. Durch die Kapselung der aktiven keramischen Schicht 2 kann die Lebensdauer des keramischen Elementes erhöht werden.
Das keramische Konversionselement 1 gemäß dem Ausführungsbeispiel der 4 weist im Unterschied zu den Konversionselementen 1 gemäß den 1 bis 3 eine Inhibitorschicht 5 auf. Die Inhibitorschicht 5 ist vorliegend zwischen der aktiven keramischen Schicht 2 und der strahlungsdurchlässigen Trägerschicht 3 angeordnet. Die Inhibitorschicht 5 ist dazu vorgesehen, die Diffusion von Aktivatorionen aus der aktiven keramischen Schicht 2 in die Trägerschicht 3 zu hemmen. Die Inhibitorschicht 5 ist bevorzugt sehr dünn ausgebildet und weist eine Dicke kleiner oder gleich 5 μm auf. Ein geeignetes Material für die Inhibitorschicht 5 ist beispielsweise Aluminiumoxid.
Der Halbleiterchip gemäß dem Ausführungsbeispiel der 5 weist einen Halbleiterkörper 6 mit einer strahlungserzeugenden Zone 7 auf. Die strahlungserzeugende Zone 7 des Halbleiterkörpers 6 ist dazu geeignet, im Betrieb Strahlung eines ersten Wellenlängenbereichs zu erzeugen, die von der Strahlungsaustrittsfläche 8 des Halbleiterkörpers 6 ausgesandt wird. Besonders bevorzugt umfasst der erste Wellenlängenbereich Strahlung aus dem blauen Spektralbereich.
Weiterhin umfasst der Halbleiterchip gemäß der 5 ein keramisches Konversionselement 1, wie es beispielsweise in 2 beschrieben ist. Weiterhin ist es auch möglich, dass der Halbleiterkörper 6 gemäß der 5 mit einem anderen Konversionselement 1, wie es beispielsweise anhand der 1, 3 und 4 beschrieben wurde, zu einem Halbleiterchip kombiniert wird.
Das keramische Konversionselement 1 ist mit der aktiven wellenlängenkonvertierenden Schicht 2 in direktem Kontakt auf die Strahlungsaustrittsfläche 8 des Halbleiterkörpers 6 aufgebracht. Hierdurch kann Wärme, die aufgrund der Stokes-Verschiebung innerhalb der aktiven Schicht 2 des Konversionselements 1 entsteht, über den Halbleiterkörper 6 beispielsweise zu einem rückseitig angebrachten elektrischen Kontakt abgeführt werden. Die Streuzentren 4 innerhalb der Trägerschicht 3 führen vorliegend bevorzugt zu einem neutralen, beispielsweise weißen, Farbeindruck für einen externen Betrachter.
Das optoelektronische Bauelement gemäß dem Ausführungsbeispiel der 6 weist einen Halbleiterchip auf, wie er beispielsweise anhand der 5 bereits beschrieben wurde. Der Halbleiterchip ist hierbei mit seiner der Strahlungsaustrittsfläche 8 des Halbleiterkörpers 6 gegenüberliegenden Rückseite 9 in der Ausnehmung 10 eines Bauelementgehäuses 11 befestigt. Das Bauelementgehäuse 11 dient hierbei als Wärmesenke, die Wärme vom Halbleiterchip ableitet, wie von den Pfeilen angedeutet.
7 zeigt einen Ausschnitt aus der CIE-Normfarbtafel, der durch die Farbortkoordinaten cx und cy aufgespannt wird und die Planckkurve C_P zwischen Farborten einer Farbtemperatur zwischen 8000 K und 4000 K umfasst. Weiterhin sind in dem Ausschnitt Messwerte der Farborte von Halbleiterchips eingetragen, wie sie beispielsweise anhand 5 bereits beschrieben wurden.
Hierbei zeigt die Kurve C₁ (offene Quadrate) die Werte für Halbleiterchips mit keramischen Konverterelementen 1, die eine aktive Schicht 2 gebildet aus einem keramisches YAG:Ce-Material mit einer niedrigen Aktivatorkonzentrationen nicht größer als 0,5% aufweisen. Das keramische Konverterelement 1 ist hierbei in Kombination mit einem blau emittierenden Halbleiterkörper zur Erzeugung von weißem Licht geeignet und über seine gesamte Dicke aus aktivem wellenlängenkonvertierenden Material YAG:Ce gebildet. Diese Farborte liegen überwiegend oberhalb der Planckkurve in kaltweißem Bereich der CIE-Normfarbtafel. Die Messwerte von Halbleiterchips mit einem keramischen Konversionselement 1, das hingegen hochdotiertes YAG:Ce mit einer Aktivatorkonzentration von mindestens 2% für die keramische aktive Schicht 2 aufweist (C₂, offene Dreiecke), liegen unterhalb der Planckschen Kurve. Die höheren Aktivatorkonzentrationen werden benötigt, um die Farbtemperatur zwischen 4000 K und 6000 K zu erreichen.
8 zeigt den Verlauf der Temperatur T in der aktiven keramischen Schicht 2 eines Konversionselements 1 in Abhängigkeit der Dicke d. Die Kurve T₁ (durchgezogen) zeigt hierbei den Temperaturverlauf eines geschichteten Konversionselements 1, wie es gemäß der Erfindung vorgesehen ist, während die gestrichelte Linie T₂ den Temperaturverlauf in Abhängigkeit der Dicke d eines herkömmlichen keramischen Konversionselements in Blockform darstellt. Hierbei ist zu sehen, dass die Temperatur innerhalb des geschichteten Konversionselements 1 niedriger ist, insbesondere dessen maximale Temperatur. Dies führt bei hohen Leistungsdichten vorteilhafterweise zu niedrigeren optischen Verlusten.
Anhand der 9A bis 9C wird ein Verfahren zur Herstellung eines geschichteten keramischen Konversionselements 1 exemplarisch näher erläutert.
In einem ersten Verfahrensschritt wird eine Grünfolie 12 als Basis für eine keramische Trägerschicht 3 bereitgestellt (9A). Eine Grünfolie wird in der Regel aus dem jeweiligen keramischen Pulver, einem Binder und Zusatzstoffen auf eine Trägerfolie gegossen. Um eine keramische Trägerschicht 3 beliebiger Dicke zu erreichen, können hierbei mehrere Grünfolien 12 als Basis für die Trägerschicht 3 übereinander gestapelt und laminiert werden. Beim Laminieren, werden die Grünfolien 12 mit Druck und Temperatur miteinander verbunden.
Alternativ zu einer Grünfolie 12 als Basis für eine keramische Trägerschicht 3 kann auch eine Trägerschicht 3 selber zu Verfügung gestellt werden.
In einem nächsten Schritt wird bei dem Ausführungsbeispiel der 9A bis 9C eine weitere Grünfolie 13 als Basis für eine Inhibitorschicht 5 bereitgestellt und auf der Grünfolie 12 für die Trägerschicht 3 angeordnet. Alternativ hierzu kann die Grünfolie 12 als Basis für die Trägerschicht 3 auch durch Aufbringen einer Pulverdispersion als Grundlage für eine keramische Inhibitorschicht 5 versehen werden.
Auf die Grünfolie 13 als Basis für die Inhibitorschicht 5 wird weiterhin eine Grünfolie 14 als Basis für eine aktive keramische Schicht 2 angeordnet. Alternativ hierzu kann auch eine Basis für eine aktive keramische Schicht 2 mittels Aufbringen einer Pulverdispersion erzeugt werden.
In einem nächsten Schritt werden die verschiedenen Grünfolien 12, 13, 14 über ein Sinterverfahren miteinander verbunden und zu einem geschichteten Keramikverbund mit einer keramischen Trägerschicht 3, einer aktiven keramischen Schicht 2 und einer keramischen Inhibitorschicht 5 umgewandelt, wie in 9C schematisch dargestellt.
Durch einen beschleunigten Sinterprozess kann vorteilhafterweise die Diffusion von Aktivatorionen aus der aktiven keramischen Schicht 2 in die Trägerschicht 3 verringert werden, insbesondere falls keine Inhibitorschicht 5 vorgesehen ist.
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele auf diese 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

Keramisches Konversionselement (1) mit: – einer aktiven keramischen Schicht (2), die dazu geeignet ist, elektromagnetische Strahlung eines ersten Wellenlängenbereichs in elektromagnetische Strahlung eines vom ersten Wellenlängenbereich verschiedenen, zweiten Wellenlängenbereichs umzuwandeln, – einer Trägerschicht (3), die für Strahlung des ersten Wellenlängenbereichs und/oder Strahlung des zweiten Wellenlängenbereichs durchlässig ist.
Keramisches Konversionselement (1) nach dem vorherigen Anspruch, das eine einzige aktive Schicht (2) und eine einzige Trägerschicht (3) aufweist.
Keramisches Konversionselement (1) nach einem der obigen Ansprüche, bei dem die aktive keramische Schicht (2) einen der folgenden Leuchtstoffe aufweist: mit Metallen der seltenen Erden dotierte Granate, mit Metallen der seltenen Erden dotierte Erdalkalisulfide, mit Metallen der seltenen Erden dotierte Thiogallate, mit Metallen der seltenen Erden dotierte Aluminate, mit Metallen der seltenen Erden dotierte Silikate, mit Metallen der seltenen Erden dotierte Orthosilikate, mit Metallen der seltenen Erden dotierte Chlorosilikate, mit Metallen der seltenen Erden dotierte Erdalkalisiliziumnitride, mit Metallen der seltenen Erden dotierte Oxynitride und mit Metallen der seltenen Erden dotierte Aluminiumoxinitride, mit Metallen der seltenen Erden dotierte Siliziumnitride, Sialone.
Keramisches Konversionselement (1) nach einem der obigen Ansprüche, bei dem die aktive Schicht (2) eine Dicke aufweist, die kleiner oder gleich 100 μm, bevorzugt kleiner oder gleich 50 μm, besonders bevorzugt kleiner oder gleich 25 μm ist.
Keramisches Konversionselement (1) nach einem der obigen Ansprüche, bei dem die keramische aktive (2) Schicht aus einem Leuchtstoff mit einem Aktivator gebildet ist, dessen Konzentration einen Wert zwischen einschließlich 2% und einschließlich 5% aufweist.
Keramisches Konversionselement (1) nach einem der obigen Ansprüche, bei dem die Trägerschicht (3) aus einem keramischen Material gebildet ist.
Keramisches Konversionselement (1) nach einem der obigen Ansprüche, das eine Dicke zwischen einschließlich 200 μm und einschließlich 50 μm, bevorzugt zwischen einschließlich 180 μm und einschließlich 50 μm aufweist.
Keramisches Konversionselement (1) nach einem der obigen Ansprüche, bei dem zwischen der aktiven Schicht (2) und der Trägerschicht (3) eine Inhibitorschicht (5) angeordnet ist, die dazu geeignet ist, die Diffusion von Aktivatorionen aus der aktiven Schicht (2) in die Trägerschicht (3) zu verringern.
Keramisches Konversionselement (1) nach. dem vorherigen Anspruch, bei dem die Inhibitorschicht (5) eine Dicke aufweist, die nicht größer ist als 5 μm.
Keramisches Konverterelement (1) nach einem der obigen Ansprüche, bei dem die Trägerschicht (3) Streuzentren (4), bevorzugt Poren aufweist, die dazu geeignet sind, elektromagnetische Strahlung des ersten Wellenlängenbereichs und/oder elektromagnetische Strahlung des zweiten Wellenlängenbereichs zu streuen.
Keramisches Konverterelement (1) nach einem der obigen Ansprüche, bei dem die Trägerschicht (3) Pigmente aufweist.
Strahlungsemittierender Halbleiterchip mit: – einem Halbleiterkörper (6), der dazu geeignet ist, elektromagnetische Strahlung eines ersten Wellenlängenbereichs von einer Strahlungsaustrittsfläche (8) auszusenden, und – einem keramischen Konversionselement (1) nach einem der obigen Ansprüche, mit einer aktiven keramischen Schicht (2), die dazu geeignet ist, Strahlung des ersten Wellenlängenbereichs in Strahlung eines vom ersten Wellenlängenbereich verschiedenen, zweiten Wellenlängenbereichs umzuwandeln.
Strahlungsemittierender Halbleiterchip nach dem vorherigen Anspruch, bei dem die aktive Schicht (2) des Konversionselements (1) in direktem Kontakt auf. die Strahlungsaustrittsfläche (8) des Halbleiterkörpers (6) aufgebracht ist.
Strahlungsemittierender Halbleiterchip, nach einem der Ansprüche 12 bis 13, der mischfarbiges weißes Licht mit einer Farbtemperatur zwischen einschließlich 4000 K und einschließlich 6000 K aussendet.
Verfahren zur Herstellung eines keramischen Konversionselements (1) mit den Schritten: – Bereitstellen einer Trägerschicht (3) oder einer Grünfolie (12) als Basis für eine Trägerschicht (3), – Aufbringen einer Grünfolie (14) als Basis für eine aktive keramische Schicht (2) oder Aufbringen einer Pulverdispersion als Basis für die aktive keramische Schicht (2) auf die Trägerschicht (3) oder auf die Grünfolie (12), die als Basis für die Trägerschicht (3) dient, und – Sintern des Schichtverbundes.