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Es werden wellenlängenkonvertierende Partikel, ein Verfahren zur Herstellung von wellenlängenkonvertierenden Partikeln sowie ein optoelektronisches Bauelement mit wellenlängenkonvertierenden Partikeln angegeben.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, verbesserte wellenlängenkonvertierende Partikel anzugeben. Weiterhin soll ein Verfahren zur Herstellung solcher wellenlängenkonvertierenden Partikel und ein optoelektronisches Bauelement mit solchen wellenlängenkonvertierenden Partikeln angegeben werden.
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Diese Aufgaben werden durch wellenlängenkonvertierende Partikel mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 durch ein optoelektronisches Bauelement mit den Merkmalen des Patentanspruches 13 und durch ein Verfahren mit den Schritten des Patentanspruches 14 angegeben.
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Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der wellenlängenkonvertierenden Partikel, des optoelektronischen Bauelements und des Verfahrens sind in den jeweils abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Ein wellenlängenkonvertierendes Partikel umfasst insbesondere einen Kern und eine wellenlängenkonvertierende Schicht, die auf dem Kern angeordnet ist, wobei die wellenlängenkonvertierende Schicht dazu geeignet ist, Strahlung eines ersten Wellenlängenbereichs in Strahlung eines zweiten Wellenlängenbereichs umzuwandeln, der von dem ersten Wellenlängenbereich verschieden ist.
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Unter dem Begriff „wellenlängenkonvertierend” wird vorliegend verstanden, dass eingestrahlte elektromagnetische Strahlung eines ersten Wellenlängenbereichs in elektromagnetische Strahlung eines anderen Wellenlängenbereichs umgewandelt wird. Ein Material, beispielsweise ein Leuchtstoff, wird insbesondere als wellenlängenkonvertierend bezeichnet, wenn es eingestrahlte elektromagnetische Strahlung eines bestimmten Wellenlängenbereichs absorbiert, diese Strahlung in der Regel auf atomarer oder molekularer Ebene in elektromagnetische Strahlung eines anderen Wellenlängenbereichs umwandelt und wieder emittiert. Insbesondere reine Streuung, reine Absorption oder reine Reflexion eingestrahlter elektromagnetischer Strahlung ohne Umwandlung der eingestrahlten Strahlung in Strahlung eines anderen Wellenlängenbereichs wird vorliegend nicht als wellenlängenkonvertierend verstanden.
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Besonders bevorzugt weisen der Kern und die wellenlängenkonvertierende Schicht unterschiedliche Materialien auf oder sind aus unterschiedlichen Materialien gebildet.
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Gemäß einer Ausführungsform ist der Kern frei von wellenlängenkonvertierenden Eigenschaften. Bei dieser Ausführungsform wandelt lediglich die wellenlängenkonvertierende Schicht einfallende elektromagnetische Strahlung in elektromagnetische Strahlung eines anderen Wellenlängenbereiches um.
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Bei dieser Ausführungsform weist der Kern bevorzugt entweder einen sehr hohen Transmissionsgrad oder einen besonders hohen Reflexionsgrad zumindest für die Strahlung des zweiten Wellenlängenbereichs auf. Besonders bevorzugt weist der Kern bei dieser Ausführungsform entweder einen besonders hohen Transmissionsgrad oder einen besonders hohen Reflexionsgrad für sichtbares Licht auf. Auf diese Art und Weise kann Absorption von durch die wellenlängenkonvertierende Schicht umgewandelter elektromagnetischer Strahlung durch den Kern zumindest verringert werden. Dies erhöht vorteilhafterweise die Effizienz der wellenlängenkonvertierenden Partikel.
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Der Kern weist besonders bevorzugt einen Transmissionsgrad von mindestens 0,9 für die Strahlung des zweiten Wellenlängenbereichs auf.
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Alternativ weist der Kern besonders bevorzugt einen Reflexionsgrad von mindestens 0,9 für die Strahlung des zweiten Wellenlängenbereichs auf.
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Der Kern weist bevorzugt eines der folgenden Materialien auf oder ist aus einem der folgenden Materialien gebildet: Siliziumoxid, Titanoxid.
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Siliziumoxid ist in der Regel dazu geeignet, einen Kern auszubilden, der einen hohen Transmissionsgrad für sichtbares Licht aufweist. Titanoxid hingegen ist insbesondere dafür geeignet, einen Kern auszubilden, der einen hohen Reflexionsgrad für sichtbares Licht aufweist.
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Besonders bevorzugt weist der erste Wellenlängenbereich sichtbares blaues Licht und der zweite Wellenlängenbereich sichtbares gelbes Licht auf. Mit anderen Worten ist die wellenlängenkonvertierende Schicht besonders bevorzugt dazu geeignet, eingestrahltes sichtbares blaues Licht in gelbes Licht umzuwandeln.
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Der Vorteil von wellenlängenkonvertierenden Partikeln mit einem Kern, der frei ist von wellenlängenkonvertierenden Eigenschaften, und einer wellenlängenkonvertierenden Schicht, die auf dem Kern angeordnet ist, liegt darin, dass vergleichsweise große Partikel bei einem geringen Verbrauch an teurem wellenlängenkonvertierenden Material erzielt werden können. Große wellenlängenkonvertierende Partikel weisen in der Regel, aufgrund ihrer großen Oberfläche vorteilhafterweise eine vergleichsweise hohe Effizienz auf. Weiterhin kann beispielsweise thermisches Quenchen des Materials der wellenlängenkonvertierenden Schicht durch eine Optimierung des Materials des Kerns verbessert werden. Hierzu sind insbesondere Materialien für den Kern mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit geeignet, wie beispielsweise Saphir mit einer Wärmeleitfähigkeit von cirka 46 W/mk, Siliziumkarbid mit einer Wärmeleitfähigkeit von cirka 370 W/mK und Aluminiumnitrid mit einer Wärmeleitfähigkeit von cirka 180 W/mK.
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Weiterhin ist es auch möglich, dass der Kern zusätzlich zu der wellenlängenkonvertierenden Schicht ebenfalls wellenlängenkonvertierend ausgebildet ist.
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Gemäß einer Ausführungsform ist der Kern dazu geeignet, Strahlung des ersten Wellenlängenbereichs in Strahlung eines dritten Wellenlängenbereichs umzuwandeln, der von dem ersten Wellenlängenbereich und dem zweiten Wellenlängenbereich verschieden ist.
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Auf diese Art und Weise können wellenlängenkonvertierende Partikel erzeugt werden, die unterschiedliche wellenlängenkonvertierende Eigenschaften in sich vereinen. Insbesondere kann durch den Einsatz eines wellenlängenkonvertierenden Kerns ein anderes Emissionsspektrum der wellenlängenkonvertierenden Partikel erzielt werden als mit Partikeln, die lediglich eine wellenlängenkonvertierende Schicht auf einem Kern aufweisen, wobei der Kern frei ist von wellenlängenkonvertierenden Eigenschaften.
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Weiterhin weisen wellenlängenkonvertierende Partikel, die mehrere wellenlängenkonvertierende Eigenschaften in sich vereinen, gegenüber einer Leuchtstoffmischung, die Partikel unterschiedlicher wellenlängenkonvertierender Materialien aufweist, in der Regel verbesserte Verarbeitungseigenschaften auf.
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Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass die wellenlängenkonvertierende Schicht nicht nur ein einziges wellenlängenkonvertierendes Material aufweisen kann. Vielmehr ist es auch möglich, dass die wellenlängenkonvertierende Schicht aus mehreren Einzelschichten aufgebaut ist, wobei die Einzelschichten dazu geeignet sind, eingestrahlte elektromagnetische Strahlung des ersten Wellenlängenbereichs in unterschiedliche Wellenlängenbereiche umzuwandeln.
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Besonders bevorzugt weist die wellenlängenkonvertierende Schicht einen Transmissionsgrad von mindestens 0,9 für Strahlung des dritten Wellenlängenbereichs auf. Auf diese Art und Weise kann eine Reabsorption von durch den Kern umgewandelter elektromagnetischer Strahlung durch die wellenlängenkonvertierende Schicht vorteilhafterweise verringert werden.
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Ist der Kern wellenlängenkonvertierend ausgebildet, so weist der erste Wellenlängenbereich bevorzugt blaues Licht, der zweite Wellenlängenbereich bevorzugt gelbes Licht und der dritte Wellenlängenbereich bevorzugt rotes Licht auf. Mit anderen Worten wandelt ein wellenlängenkonvertierendes Partikel besonders bevorzugt zumindest einen Teil von eingestrahlter blauer Strahlung in gelbes Licht und einen weiteren Teil in rotes Licht um.
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Wellenlängenkonvertierende Partikel, die einen Teil von eingestrahltem blauen Licht in gelbes Licht und in grünes Licht umwandeln, sind insbesondere dazu geeignet, mischfarbiges Licht zu erzeugen, dass sich aus blauem Licht des ersten Wellenlängenbereichs, gelbem Licht des zweiten Wellenlängenbereichs und rotem Licht des dritten Wellenlängenbereichs zusammensetzt. Derartiges Mischlicht weist besonders bevorzugt einen Farbort im warmweißen Bereich der CIE-Normfarbtafel auf.
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Die wellenlängenkonvertierende Schicht und gegebenenfalls der wellenlängenkonvertierende Kern weist bevorzugt zumindest eines der folgenden wellenlängenkonvertierenden Materialien auf oder besteht aus einem der folgenden Materialien: einen mit seltenen Erden dotierten Granatleuchtstoff, einen mit seltenen Erden dotierten Nitridleuchtstoff, ein Lanthanid(III)-β-Diketon.
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Ein mit seltenen Erden dotierter Granatleuchtstoff ist in der Regel dazu geeignet, blaues Licht in gelbes Licht umzuwandeln, während ein mit seltenen Erden dotierter Nitridleuchtstoff und ein Lanthanid(III)-β-Diketon-Leuchtstoff in der Regel dazu geeignet sind, blaues Licht in rotes Licht umzuwandeln.
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Weiterhin sind auch die folgenden wellenlängenkonvertierenden Materialien geeignet, für die wellenlängenkonvertierende Schicht und/oder den wellenlängenkonvertierenden Kern verwendet zu werden: 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 Orthosilikate, mit Metallen der seltenen Erden dotierte Chlorosilikate.
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Das wellenlängenkonvertierende Partikel weist bevorzugt einen Durchmesser größer oder gleich 1 μm auf.
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In der Regel weist das wellenlängenkonvertierende Partikel keine vollständige, sondern lediglich eine angenäherte Kugelform auf. Zur Bestimmung des Durchmessers kann beispielsweise eine kugelförmige Einhüllende des wellenlängenkonvertierenden Partikels bestimmt werden. Der Durchmesser der kugelförmigen Einhüllenden ergibt dann den Durchmesser des wellenlängenkonvertierenden Partikels.
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Besonders bevorzugt weist der Kern einen Durchmesser zwischen einschließlich 100 nm und einschließlich 10 μm auf. Auch bei dem Kern handelt es sich in der Regel nicht um ein vollkommen kugelförmiges Gebilde. Äquivalent zur Bestimmung des Durchmessers des wellenlängenkonvertierenden Partikels selber kann auch der Durchmesser des Kerns dadurch bestimmt werden, dass der Durchmesser einer kugelförmigen Einhüllenden des Kerns bestimmt wird.
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Besonders bevorzugt weist die wellenlängenkonvertierende Schicht eine Dicke zwischen einschließlich 10 nm und einschließlich 5 μm auf.
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Die wellenlängenkonvertierende Schicht kann in direktem Kontakt auf dem Kern aufgebracht sein. Weiterhin ist es auch möglich, dass zwischen dem Kern und der wellenlängenkonvertierenden Schicht eine oder mehrere weitere Schichten auf dem Kern angeordnet sind. Beispielsweise ist es möglich, dass zwischen dem Kern und der wellenlängenkonvertierenden Schicht eine reflektierende Schicht angeordnet ist. Auch mit einer solchen reflektierenden Schicht auf dem Kern ist es möglich, einen Kern mit reflektierenden Eigenschaften zu erzielen, der die oben beschriebenen Vorteile aufweist. Die reflektierende Schicht kann beispielsweise eines der folgenden Materialien aufweisen oder aus einem der folgenden Materialien gebildet sein: Titanoxid, Zinkoxid, Silber. Ein Kern, der mit einer reflektierenden Schicht versehen ist, ist in der Regel frei von wellenlängenkonvertierenden Eigenschaften.
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Die wellenlängenkonvertierende Schicht ist besonders bevorzugt aus einem wellenlängenkonvertierenden Material gebildet. Besonders bevorzugt ist die wellenlängenkonvertierende Schicht in Rahmen von Herstellungstoleranzen frei von nicht-wellenlängenkonvertierenden Materialien. Insbesondere weist die wellenlängenkonvertierende Schicht bevorzugt keine Bindemittel, wie beispielsweise Harze, auf.
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Die hier vorgeschlagenen wellenlängenkonvertierenden Partikel sind insbesondere zum Einsatz in einem optoelektronischen Bauelement geeignet. Insbesondere sind die wellenlängenkonvertierenden Partikel dazu geeignet, in einer Leuchtdiode Verwendung zu finden.
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Besonders bevorzugt weist das optoelektronische Bauelement einen Halbleiterkörper auf, der elektromagnetische Strahlung eines ersten Wellenlängenbereichs in einer aktiven Zone erzeugt und von seiner Strahlungsaustrittsfläche aussendet. Die wellenlängenkonvertierenden Partikel sind bevorzugt derart innerhalb des optoelektronischen Bauelements angeordnet, dass diese einen vorgegebenen Anteil der von dem Halbleiterkörper ausgesandten Strahlung in Strahlung des zweiten und gegebenenfalls des dritten Wellenlängenbereichs umwandeln.
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Die wellenlängenkonvertierenden Partikel können beispielsweise auf der Strahlungsaustrittsfläche des Halbleiterkörpers in Form einer Beschichtung aufgebracht sein. Weiterhin ist es auch möglich, dass die wellenlängenkonvertierenden Partikel beispielsweise in einem Volumenverguss eingebracht sind, der den Halbleiterkörper zumindest teilweise umhüllt.
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Die wellenlängenkonvertierenden Partikel können beispielsweise durch ein Verfahren erzeugt werden, bei dem Kerne bereitgestellt und mit einer wellenlängenkonvertierenden Schicht versehen werden. Die wellenlängenkonvertierende Schicht kann beispielsweise mittels eines CVD-Verfahrens (chemical vapor deposition) oder einer nasschemischen Abscheidung auf den Kernen aufgebracht werden.
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Zur Fixierung der wellenlängenkonvertierenden Schicht auf den Kernen, können die Partikel mit Temperatur beaufschlagt werden.
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Weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Ausführungsbeispielen.
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Die 1 bis 3 zeigen schematische Schnittdarstellungen eines wellenlängenkonvertierenden Partikels gemäß jeweils einem Ausführungsbeispiel.
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Anhand der 4 und 5 wird ein Herstellungsverfahren für wellenlängenkonvertierende Partikel gemäß einem Ausführungsbeispiel erläutert.
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6 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines optoelektronischen Bauelements gemäß einem Ausführungsbeispiel.
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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.
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Das wellenlängenkonvertierende Partikel 1 gemäß dem Ausführungsbeispiel der 1 weist einen Kern 2 auf, auf den in direktem Kontakt eine wellenlängenkonvertierende Schicht 3 aufgebracht ist. Der Kern 2 weist vorliegend keine wellenlängenkonvertierenden Eigenschaften auf. Besonders bevorzugt ist der Kern 2 entweder durchlässig für das von der wellenlängenkonvertierenden Schicht 3 umgewandelte Licht oder hochreflektierend für das von der wellenlängenkonvertierenden Schicht 3 umgewandelte Licht ausgebildet. Ein durchsichtiger Kern 2 kann beispielsweise aus Siliziumdioxid gebildet sein, während ein reflektierender Kern 2 beispielsweise aus Titanoxid gebildet ist.
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Die wellenlängenkonvertierende Schicht 3 ist besonders bevorzugt dazu geeignet, Strahlung eines ersten Wellenlängenbereichs in Strahlung eines zweiten Wellenlängenbereichs umzuwandeln, der von dem ersten Wellenlängenbereich verschieden ist. Besonders bevorzugt ist die wellenlängenkonvertierende Schicht 3 dazu geeignet, blaues Licht in gelbes Licht umzuwandeln.
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Das wellenlängenkonvertierende Partikel 1 gemäß dem Ausführungsbeispiel der 2 weist im Unterschied zu dem wellenlängenkonvertierenden Partikel 1 der 1 eine reflektierende Schicht 4 auf, die zwischen dem Kern 2 und der wellenlängenkonvertierenden Schicht 3 angeordnet ist. Die reflektierende Schicht 4 ist insbesondere dazu geeignet, sichtbares Licht zu reflektieren. Auf diese Art und Weise kann ein reflektierender Kern 2 erzeugt werden, ohne dass der gesamte Kern aus einem reflektierenden Material gebildet sein muss.
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Das wellenlängenkonvertierende Partikel 1 gemäß dem Ausführungsbeispiel der 3 weist im Unterschied zu den wellenlängenkonvertierenden Partikeln 1 gemäß der 1 und 2 einen Kern 2 auf, der selber wellenlängenkonvertierend ausgebildet ist. Der Kern 2 des wellenlängenkonvertierenden Partikels 1 gemäß dem Ausführungsbeispiel der 3 ist dazu geeignet, Strahlung des ersten Wellenlängenbereichs in Strahlung eines dritten Wellenlängenbereichs umzuwandeln, der von dem ersten und dem zweiten Wellenlängenbereich verschieden ist. Besonders bevorzugt ist der Kern 2 dazu geeignet, blaue Strahlung in rote Strahlung umzuwandeln, während die wellenlängenkonvertierende Schicht 3 bevorzugt dazu geeignet ist, blaue Strahlung in rote Strahlung umzuwandeln.
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Ein Verfahren zur Herstellung eines wellenlängenkonvertierenden Partikels 1, wie es bereits anhand von 3 beschrieben wurde, wird nun im Folgenden anhand der 4 und 5 beschrieben.
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In einem ersten Schritt werden wellenlängenkonvertierende Kerne 2 bereitgestellt, die aus einem Material gebildet sind, das dazu geeignet ist, Strahlung eines ersten Wellenlängenbereichs in Strahlung eines dritten Wellenlängenbereichs umzuwandeln (4).
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In einem nächsten Schritt werden die wellenlängenkonvertierenden Kerne 2 jeweils mit einer wellenlängenkonvertierenden Schicht 3 versehen (5). Dies kann beispielsweise durch nasschemische Abscheidung oder mittels eines CVD-Verfahrens erfolgen. Weiterhin können die beschichteten Kerne 2 mit Temperatur beaufschlagt werden, um die wellenlängenkonvertierende Schicht 3 auf den Kernen 2 besser zu fixieren.
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Das optoelektronische Bauelement gemäß dem Ausführungsbeispiel der 6 weist einen Halbleiterkörper 5 auf. Der Halbleiterkörper 5 hat eine aktive Zone 6, die dazu geeignet ist, elektromagnetische Strahlung zu erzeugen.
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Der Halbleiterkörper 5 emittiert vorliegend Strahlung eines ersten Wellenlängenbereichs, der blaues Licht umfasst, von seiner Strahlungsaustrittsfläche 7.
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Auf die Strahlungsaustrittsfläche 7 des Halbleiterkörpers 5 ist eine wellenlängenkonvertierende Beschichtung 8 aufgebracht, Die wellenlängenkonvertierende Beschichtung 8 weist hierbei ein Harz 9 auf, in das wellenlängenkonvertierende Partikel 1 eingebracht sind, wie sie anhand von 3 bereits beschrieben wurden. Die Partikel 1 sind hierbei dazu geeignet, blaue Strahlung des ersten Wellenlängenbereichs, der von dem Halbleiterkörper 5 von seiner Strahlungsaustrittsfläche 7 ausgesandt wird, in gelbe Strahlung und in rote Strahlung umzuwandeln. Hierbei wandelt der Kern 2 jedes Partikels 1 besonders bevorzugt die blaue Strahlung des Halbleiterkörpers 5 in gelbe Strahlung um, während die wellenlängenkonvertierende Schicht 3 jedes Partikels 1 die blaue Strahlung des Halbleiterkörpers 5 in rotes Licht umwandelt. Die wellenlängenkonvertierende Beschichtung 8 auf der Strahlungsaustrittsfläche 7 des Halbleiterkörpers 5 ist dabei derart ausgebildet, dass mischfarbige Strahlung mit einem Farbort im warmweißen Bereich der CIE-Normfarbtafel entsteht.
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Weiterhin ist seitlich der wellenlängenkonvertierenden Beschichtung 8 ein Bondpad 10 angeordnet. Das Bondpad 10 ist dazu vorgesehen, den Halbleiterkörper 5 elektrisch zu kontaktieren.
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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.
