DE102012102859A1

DE102012102859A1 - Optoelektronisches Bauelement umfassend eine Konverterträgerschicht, und Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Bauelements umfassend eine Konverterträgerschicht

Info

Publication number: DE102012102859A1
Application number: DE201210102859
Authority: DE
Inventors: Sven Pihale; Dr. Eder Florian
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2012-04-02
Filing date: 2012-04-02
Publication date: 2013-11-14
Also published as: WO2013150023A1; DE112013001866B4; US9397273B2; US20150115302A1; DE112013001866A5

Abstract

Es wird ein optoelektronisches Bauelement umfassend eine Schichtenfolge mit einer aktiven Schicht, die elektromagnetische Primärstrahlung emittiert und zumindest eine Konverterträgerschicht, die im Strahlengang der elektromagnetischen Primärstrahlung angeordnet ist, angegeben. Die zumindest eine Konverterträgerschicht umfasst Konverterpartikel und ein anorganisch-organisches Hybridmaterial und/oder ein Silicatglas. Weiterhin werden zwei Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Bauelements umfassend eine Konverterträgerschicht mit einer Wärmeleitfähigkeit zwischen 0.2 W/mK und 10.0 W/mK angegeben.

Description

Die Erfindung betrifft ein optoelektronisches Bauelement umfassend eine Konverterträgerschicht und zwei Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Bauelements umfassend eine Konverterträgerschicht.
Optoelektronische Bauelemente wie beispielsweise Licht emittierende Dioden (LEDs) weisen häufig Konverterträgerschichten wie beispielsweise einen Verguss mit einem Konvertermaterial auf. Konvertermaterialien wandeln die von einer Strahlungsquelle emittierte Strahlung in eine Strahlung mit veränderter beispielsweise längerer Wellenlänge um. Dabei entsteht neben der emittierten veränderten Strahlung Wärme. Herkömmliche Konverterträgerschichten weisen eine unzureichende Wärmeabfuhr der durch das Konvertermaterial entstehenden Wärme auf. Dadurch entsteht ein Wärmestau in den Konverterträgerschichten, der zu einer Reduktion der Leuchtstärke und zu einer Veränderung des Farborts sowie zu einem frühzeitigen Ausfall der LED führt. Insbesondere bei LEDs mit einer hohen Energieeffizienz (bis zu 150 Im/W) und einer hohen angestrebten Lichtausbeute kann mit herkömmlichen Konverterträgerschichten die Wärme nicht effizient genug abgeführt werden. Insbesondere um den Einsatz von LEDs als Standardleuchtmittel voranzutreiben, ist eine hohe Energieeffizienz der LEDs wichtig.
Aufgabe zumindest einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein optoelektronisches Bauelement mit einer Konverterträgerschicht bereitzustellen, die eine verbesserte Wärmeleitfähigkeit besitzt.
Die Aufgabe wird durch ein optoelektronisches Bauelement mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch zwei Verfahren zur Herstellung optoelektronischer Bauelemente mit den Merkmalen der Ansprüche 13 und 14 gelöst.
Vorteilhafte Ausführungen sowie Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den jeweils abhängigen Ansprüchen angegeben.
Es wird ein optoelektronisches Bauelement angegeben. Das optoelektronische Bauelement umfasst eine Schichtenfolge mit einer aktiven Schicht, die elektromagnetische Primärstrahlung emittiert und zumindest eine Konverterträgerschicht, die im Strahlengang der elektromagnetischen Primärstrahlung angeordnet ist. Die zumindest eine Konverterträgerschicht umfasst Konverterpartikel und ein anorganisch-organisches Hybridmaterial und/oder ein Silicatglas, wobei die Konverterpartikel in dem anorganisch-organischen Hybridmaterial und/oder dem Silicatglas verteilt sind. Die Konverterpartikel konvertieren zumindest teilweise die elektromagnetische Primärstrahlung in eine elektromagnetische Sekundärstrahlung.
Durch eine Konverterträgerschicht umfassend Konverterpartikel und ein anorganisch-organisches Hybridmaterial und/oder ein Silicatglas, kann die durch die Konverterpartikel entstehende Wärme in der Konverterträgerschicht überraschenderweise sehr gut abgeleitet werden. Dadurch entsteht nur ein geringer oder vernachlässigbarer Wärmestau in der Konverterträgerschicht und es kann eine konstante Leuchtstärke und ein konstanter Farbort über die Länge der Betriebsdauer des optoelektronischen Bauelements garantiert werden. Somit kann einem frühzeitigen Ausfall des optoelektronischen Bauelements vorgebeugt werden und die Lebensdauer des optoelektronischen Bauelements verlängert werden.
Dass die Konverterpartikel die elektromagnetische Primärstrahlung zumindest teilweise in eine elektromagnetische Sekundärstrahlung konvertieren, kann zum Einen bedeuten, dass die elektromagnetische Primärstrahlung zumindest teilweise von den Konverterpartikeln absorbiert und als Sekundärstrahlung mit einem zumindest teilweise von der Primärstrahlung verschiedenen Wellenlängenbereich emittiert wird. Ein Teil der absorbierten Primärstrahlung wird hierbei als Wärme von den Konverterpartikeln abgegeben. Die elektromagnetische Primärstrahlung und elektromagnetische Sekundärstrahlung können eine oder mehrere Wellenlängen und/oder Wellenlängenbereiche in einem infraroten bis ultravioletten Wellenlängenbereich umfassen, insbesondere in einem sichtbaren Wellenlängenbereich. Dabei können das Spektrum der Primärstrahlung und/oder das Spektrum der Sekundärstrahlung schmalbandig sein, das heißt, dass die Primärstrahlung und/oder die Sekundärstrahlung einen einfarbigen oder annähernd einfarbigen Wellenlängenbereich aufweisen können. Das Spektrum der Primärstrahlung und/oder das Spektrum der Sekundärstrahlung kann alternativ auch breitbandig sein, das heißt, dass die Primärstrahlung und/oder die Sekundärstrahlung einen mischfarbigen Wellenlängenbereich aufweisen kann, wobei der mischfarbige Wellenlängenbereich ein kontinuierliches Spektrum oder mehrere diskrete spektrale Komponenten mit verschiedenen Wellenlängen aufweisen kann. Beispielsweise kann die elektromagnetische Primärstrahlung einen Wellenlängenbereich aus einem ultravioletten bis grünen Wellenlängenbereich aufweisen, während die elektromagnetische Sekundärstrahlung einen Wellenlängenbereich aus einem blauen bis infraroten Wellenlängenbereich aufweisen kann. Besonders bevorzugt können die Primärstrahlung und die Sekundärstrahlung überlagert einen weißfarbigen Leuchteindruck erwecken. Dazu kann die Primärstrahlung vorzugsweise einen blaufarbigen Leuchteindruck erwecken und die Sekundärstrahlung einen gelbfarbigen Leuchteindruck, der durch spektrale Komponenten der Sekundärstrahlung im gelben Wellenlängenbereich und/oder spektrale Komponenten im grünen und roten Wellenlängenbereich entstehen kann.
Dass die Konverterpartikel zumindest teilweise die elektromagnetische Primärstrahlung in eine elektromagnetische Sekundärstrahlung konvertieren, kann auch bedeuten, dass die elektromagnetische Primärstrahlung nahezu vollständig durch die Konverterpartikel absorbiert wird und in Form einer elektromagnetischen Sekundärstrahlung und in Form von Wärme abgegeben wird. Die emittierte Strahlung des optoelektronischen Bauelements gemäß dieser Ausführungsform entspricht somit nahezu vollständig der elektromagnetischen Sekundärstrahlung. Unter nahezu vollständiger Konversion ist eine Konversion über 90 %, insbesondere über 95 % zu verstehen.
Unter "Schichtenfolge" ist in diesem Zusammenhang eine mehr als eine Schicht umfassende Schichtenfolge zu verstehen, beispielsweise eine Folge einer p-dotierten und einer n-dotierten Halbleiterschicht, wobei die Schichten übereinander angeordnet sind.
Die Schichtenfolge kann als Epitaxieschichtenfolge oder als strahlungsemittierender Halbleiterchip mit einer Epitaxieschichtenfolge, also als epitaktisch gewachsene Halbleiterschichtenfolge ausgeführt sein. Dabei kann die Schichtenfolge beispielsweise auf der Basis von InGaAlN ausgeführt sein. InGaAlN-basierte Halbleiterchips und Halbleiterschichtenfolgen sind insbesondere solche, bei denen die epitaktisch hergestellte Halbleiterschichtenfolge eine Schichtenfolge aus unterschiedlichen Einzelschichten aufweist, die mindestens eine Einzelschicht enthält, die ein Material aus dem III-V-Verbindungshalbleitermaterialsystem In_xAl_yGa_1-x-yN mit 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1 und x + y ≤ 1 aufweist. Halbleiterschichtenfolgen, die zumindest eine aktive Schicht auf Basis von InGaAlN aufweisen, können beispielsweise elektromagnetische Strahlung in einem ultravioletten bis grünen Wellenlängenbereich emittieren.
Alternativ oder zusätzlich kann die Halbleiterschichtenfolge oder der Halbleiterchip auch auf InGaAlP basieren, das heißt, dass die Halbleiterschichtenfolge unterschiedliche Einzelschichten aufweisen kann, wovon mindestens eine Einzelschicht ein Material aus dem III-V-Verbindungshalbleitermaterialsystem In_xAl_yGa_1-x-yP mit 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1 und x + y ≤ 1 aufweist. Halbleiterschichtenfolgen oder Halbleiterchips, die zumindest eine aktive Schicht auf Basis von InGaAlP aufweisen, können beispielsweise bevorzugt elektromagnetische Strahlung mit einer oder mehreren spektralen Komponenten in einen grünen bis roten Wellenlängenbereich emittieren.
Alternativ oder zusätzlich kann die Halbleiterschichtenfolge oder der Halbleiterchip auch andere III-V-Verbindungshalbleitermaterialsysteme, beispielsweise ein AlGaAs-basiertes Material, oder II-VI-Verbindungshalbleitermaterialsysteme aufweisen. Insbesondere kann eine aktive Schicht, die ein AlGaAs-basiertes Material aufweist, geeignet sein, elektromagnetische Strahlung mit einer oder mehreren spektralen Komponenten in einem roten bis infraroten Wellenlängenbereich zu emittieren.
Die aktive Halbleiterschichtenfolge kann neben der aktiven Schicht weitere funktionale Schichten und funktionelle Bereiche umfassen, etwa p- oder n-dotierte Ladungsträgertransportschichten, also Elektronen- oder Löchertransportschichten, undotierte oder p- oder n-dotierte Confinement-, Cladding- oder Wellenleiterschichten, Barriereschichten, Planarisierungsschichten, Pufferschichten, Schutzschichten und/oder Elektroden sowie Kombinationen daraus. Weiterhin können beispielsweise auf einer dem Aufwachssubstrat abgewandten Seite der Halbleiterschichtenfolge eine oder mehrere Spiegelschichten aufgebracht sein. Die hier beschriebenen Strukturen die aktive Schicht oder die weiteren funktionalen Schichten und Bereiche betreffend sind dem Fachmann insbesondere hinsichtlich Aufbau, Funktion und Struktur bekannt und werden von daher an dieser Stelle nicht näher erläutert.
Es ist auch möglich, dass die Konverterträgerschicht aus Konverterpartikeln und einem anorganisch-organischen Hybridmaterial und/oder einem Silicatglas besteht.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Konverterträgerschicht eine Wärmeleitfähigkeit zwischen 0,2 W/mK und 10,0 W/mK auf. Bevorzugt liegt die Wärmeleitfähigkeit der Konverterträgerschicht zwischen 1,5 W/mK und 5,0 W/mK, besonders bevorzugt liegt die Wärmeleitfähigkeit der Konverterträgerschicht zwischen 2,0 W/mK und 3,0 W/mK. In diesen Bereichen kann die durch die Konverterpartikel entstehende Wärme in der Konverterträgerschicht besonders gut abgeleitet werden. Je größer die Wärmeleitfähigkeit der Konverterträgerschicht, desto besser ist die Wärmeabfuhr.
Bei dem optoelektronischen Bauelement kann es sich um Lumineszenzdioden, Fotodioden-Transistoren-Arrays/Module und optische Koppler handeln. Alternativ ist es möglich, eine organische Leuchtdiode (OLED) als optoelektronisches Bauelement auszuwählen. Insbesondere kann es sich bei dem optoelektronischen Bauelement um eine LED mit einer Effizienz von bis zu 150 Im/W handeln.
In einer weiteren Ausführungsform des optoelektronischen Bauelements ist das anorganisch-organische Hybridmaterial durch Hydrolyse, gegenseitige Kondensation und Vernetzung zumindest einer Verbindung der Formel I und zumindest einer Verbindung der Formel II
hergestellt,
wobei M und M’ gleich oder unterschiedlich gewählt sein können und jeweils für ein Zentralatom mit der Ladung m oder m’ stehen. R und R’ können gleich oder unterschiedlich gewählt sein und für Wasserstoff und/oder einen organischen Rest stehen. Y steht für einen organischen Rest mit einer zur Vernetzung geeigneten reaktiven Gruppe. Weiter gilt, dass x = m und 0 < n < m’, 1 < x’ < m’ und x’ + n = m’.
Es hat sich gezeigt, dass eine Konverterträgerschicht umfassend dieses anorganisch-organische Hybridmaterial durch Temperatur- und Feuchtebelastungen, denen sie in einem optoelektronischen Bauelement ausgesetzt sein kann, und vor allem durch die Strahlenbelastung, der sie in einem optoelektronischen Bauelement ausgesetzt ist, nicht oder nur geringfügig vergilbt und eintrübt und sich in ihren mechanischen Eigenschaften nicht oder kaum verändert. Damit ist auch gewährleistet, dass die Lichtausbeute nicht oder weniger herabgesetzt wird und die Abstrahlcharakteristik des optoelektronischen Bauelements nicht oder nur geringfügig verändert wird. Auch die mechanische Festigkeit der Konverterträgerschicht kann trotz dieser Belastungen zumindest weitgehend erhalten bleiben.
Durch die Hydrolyse werden die OR-Gruppen am Zentralatom M und die OR’-Gruppen am Zentralatom M’ zumindest teilweise durch OH-Gruppen ersetzt. Zwei OH-Gruppen können durch eine Kondensationreaktion unter der Abspaltung von H₂O M-O-M-, M’-O-M’-und M-O-M’-Bindungen ausbilden. Möglich ist auch, dass eine OH-Gruppe und eine M-OR oder M’-OR’-Gruppe durch eine Kondensationreaktion unter der Abspaltung von ROH oder R’OH M-O-M-, M’-O-M’-und M-O-M’-Bindungen ausbilden.
Durch die Y-Gruppe beziehungsweise die Y-Gruppen am Zentralatom M’ können die Verbindungen der Formel II, hydrolysierte Verbindungen der Formel II und/oder die durch Kondensation entstehenden Produkte der Verbindungen mit den Formeln I und II zusätzlich vernetzten. Beispielsweise entsteht dabei ein dreidimensionales Netzwerk des anorganisch-organischen Hybridmaterials. Durch die zusätzliche Vernetzung der zur Vernetzung geeigneten reaktiven Gruppen weist das so hergestellte anorganisch-organische Hybridmaterial eine hohe chemische Beständigkeit beispielsweise gegenüber Wasser auf. Die Kondensation der hydrolysierten Verbindungen der Formel I und der Formel II ist eine reversible Reaktion. Durch das Einwirken von Wasser könnten die kondensierten Verbindungen wieder hydrolysiert werden. Das durch die zusätzliche Vernetzung entstehende dreidimensionale Netzwerk verhindert, dass geringe Mengen von Wasser die chemischen Bindungen des anorganisch-organischen Hybridmaterials angreifen können.
Bevorzugt sind M und M’ unterschiedlich gewählt. Eine Konverterträgerschicht umfassend ein anorganisch-organisches Hybridmaterial, bei dem M und M’ unterschiedlich gewählt sind, zeigt eine noch geringere Vergilbungs- und Eintrübungstendenz.
Gemäß einer Ausführungsform des optoelektronischen Bauelements ist M und M' ausgewählt aus einer Gruppe die B, Al, Si, Ti, Zr, Zn umfasst. Bevorzugt stehen M und M' für Al, Si, Ti, Zi und Zn. Besonders bevorzugt steht M' für Si. Besonders bevorzugt steht M für Al.
Gemäß einer Ausführungsform des optoelektronischen Bauelements ist die zur Vernetzung geeignete reaktive Gruppe aus einer Gruppe ausgewählt die Fluor-, Chlor-, Brom-, Jod-, Amino-, Amid-, Aldehyd-, Keto-, Carboxy-, Thiol-, Hydroxy-, Acryloxy-, Methacryloxy-, Epoxy-, Ester-, Sulfonsäure-, Phosphorsäure- und Vinylsubstituenten umfasst. Bevorzugt ist die zur Vernetzung geeignete reaktive Gruppe aus einer Gruppe ausgewählt, die Amino-, Thiol-, Hydroxy-, Epoxy- und Vinylsubstituenten umfasst. Besonders bevorzugt ist die zur Vernetzung geeignete reaktive Gruppe aus einer Gruppe ausgewählt die Amino-, und Epoxygruppen umfasst.
R und R' können beispielsweise ausgewählt sein aus einer Gruppe, die Wasserstoff, Alkylsubstituenten und Arylsubstituenten umfasst. R und R’ können in einer Verbindung gleich oder unterschiedlich gewählt sein. Vorzugsweise handelt es sich bei den organischen Resten R und R’ um C1- bis C8-Alkylreste, die verzweigt oder unverzweigt sein können. Zu große oder voluminöse Reste könnten die Zentralatome M und M’ zu stark abschirmen, was die Hydrolyse oder die Kondensation der Moleküle behindern oder sogar unterbinden würde. Besonders bevorzugt können R und R' aus einer Gruppe ausgewählt sein die Methyl-, Ethyl-, Propyl-, Isopropyl-, Butyl-, Isobutyl-, sec-Butyl-, tert-Butyl-, Cyclohexyl-, Phenylreste und Kombinationen daraus umfasst.
Gemäß einer Ausführungsform wird das anorganisch-organische Hybridmaterial aus 5 bis 50 mol%, bevorzugt 10 bis 30 mol %, besonders bevorzugt 10 bis 20 mol% zumindest einer Verbindung der Formel I hergestellt. Mit der Variation der Molprozent der Verbindung der Formel I relativ zur Gesamtmenge aus Formel I und II kann der Brechungsindex der Konverterträgerschicht variiert und daher optimiert werden. Die Lichtauskopplung kann gesteigert werden, wenn der Brechungsindex der Konverterträgerschicht einen ähnlichen Brechungsindex aufweist, wie die an die Konverterträgerschicht angrenzenden Schichten.
Gemäß einer Ausführungsform wird das anorganisch-organische Hybridmaterial aus 50 bis 95 mol%, bevorzugt 70 bis 90 mol %, besonders bevorzugt 70 bis 80 mol% zumindest einer Verbindung der Formel II relativ zur Gesamtmenge aus Formel I und II hergestellt. Durch den Anteil an Verbindungen der Formel II relativ zur Gesamtmenge aus Formel I und II kann die Elastizität des anorganisch-organischen Hybridmaterials eingestellt werden. Durch die Hydrolyse und Kondensation ausschließlich von Verbindungen der Formel I würde das entstehende Polymer sehr spröde sein. Die Elastizität ist für die Herstellung der Konverterträgerschicht von Bedeutung. Bei der Härtung der Konverterträgerschicht durch Kondensation und Vernetzung entsteht ein Schrumpf. Dieser Schrumpf kann bei spröden oder wenig elastischen Materialien unerwünschte Risse in der Konverterträgerschicht hervorrufen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des optoelektronischen Bauelements ist das anorganisch-organische Hybridmaterial durch Hydrolyse, gegenseitige Kondensation und Vernetzung einer Verbindung der Formel I und zwei Verbindungen der Formel II hergestellt. Durch so eine Kombination kann die Elastizität besonders gut eingestellt werden. Ein derartig hergestelltes anorganisch-organisches Hybridmaterial weist auch eine nochmals bessere Wärmeleitfähigkeit auf.
Bevorzugt ist, dass die zur Vernetzung geeignete reaktive Gruppe der ersten Verbindung der Formel II mit der zur Vernetzung geeigneten reaktiven Gruppe der zweiten Verbindung der Formel II vernetzen kann. Beispielsweise kann die zur Vernetzung geeignete reaktive Gruppe der ersten Verbindung der Formel II ein Aminosubstituent und die zur Vernetzung geeignete reaktive Gruppe der zweiten Verbindung der Formel II ein Epoxysubstituent sein. Möglich ist auch, dass die zur Vernetzung geeignete reaktive Gruppe der ersten Verbindung der Formel II ein Thiolsubstituent und die zur Vernetzung geeignete reaktive Gruppe der zweiten Verbindung der Formel II ein Vinylsubstituent ist. Es sind aber auch andere Kombinationen denkbar.
In einer Ausführungsform weisen die erste und die zweite Verbindung der Formel II die gleiche Anzahl n an Y Gruppen auf.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die beiden Verbindungen der Formel II in einem Verhältnis von 1:1 zueinander eingesetzt. So können alle oder nahezu alle zur Vernetzung geeigneten reaktiven Gruppen der ersten Verbindung der Formel II mit den zur Vernetzung geeigneten reaktiven Gruppe der zweiten Verbindung der Formel II vernetzen. Idealerweise sind in dem anorganisch-organischen Hybridmaterial nach der Kondensation oder Vernetzung keine oder fast keine zur Vernetzung geeigneten reaktiven Gruppen mehr vorhanden. Ein so hergestelltes anorganisch-organisches Hybridmaterial ist noch weniger vergilbungsanfällig, da nur sehr wenige reaktive organische Gruppen vorhanden sind, die leicht reagieren und daher eher zur Vergilbung neigen.
In einer weiteren Ausführungsform ist das Silicatglas durch Hydrolyse und gegenseitige Kondensation aus SiO₂ und/oder Salzen und Estern von Si(OH)₄ und zumindest einer Verbindung ausgewählt aus einer Gruppe, die Al₂O₃, Bi₂O₃, P₂O₃, Sc₂O₃ und Y₂O₃ umfasst, hergestellt.
Bevorzugt ist das Silicatglas durch Hydrolyse und gegenseitige Kondensation aus y(Na₂O)·x(SiO)₂·H₂O, SiO₂ und zumindest einer Verbindung, ausgewählt aus einer Gruppe, die Al₂O₃, Bi₂O₃, P₂O₃, Sc₂O₃ und Y₂O₃ umfasst, hergestellt. Das Verhältnis y:x in der Formel y(Na₂O)·x(SiO₂)·H₂O liegt bei 1:1 bis 4:1, bevorzugt bei 2:1 bis 3,8:1.
Besonders bevorzugt ist das Silicatglas durch Hydrolyse und gegenseitige Kondensation aus y(Na₂O)·x(SiO)₂·H₂O, SiO₂ und Al₂O₃ hergestellt. Das Verhältnis y:x in der Formel y(Na₂O)·x(SiO₂)·H₂O liegt bei 1:1 bis 4:1, bevorzugt bei 2:1 bis 3,8:1.
Gemäß einer Ausführungsform des optoelektronischen Bauelements ist das Silicatglas ausgewählt aus einer Gruppe, die Borosilicatglas, Alumosilicatglas, Phosphosilicatglas, Scandiumsilicatglas und Yttriumsilicatglas umfasst.
Es hat sich gezeigt, dass eine Konverterträgerschicht umfassend solche Silicatgläser durch Temperatur- und Feuchtebelastungen, denen sie in einem optoelektronischen Bauelement ausgesetzt sein kann, und vor allem durch die Strahlenbelastung, der sie in einem optoelektronischen Bauelement ausgesetzt ist, nicht oder nur sehr geringfügig vergilbt und eintrübt und sich in ihren mechanischen Eigenschaften nicht oder kaum verändert. Im Vergleich zu dem anorganisch-organischen Hybridmaterial zeigt es eine noch geringere Vergilbungstendenz, da in den Silicatgläsern keine organischen Gruppen vorhanden sind, die tendenziell weniger stabil sind als rein anorganische Materialien, wie beispielsweise die Silicatgläser. Damit ist auch gewährleistet, dass die Lichtausbeute nicht oder weniger herabgesetzt wird und die Abstrahlcharakteristik des optoelektronischen Bauelements nicht oder nur sehr geringfügig verändert wird. Auch die mechanische Festigkeit der Konverterträgerschicht kann trotz dieser Belastungen zumindest weitgehend erhalten bleiben.
Bevorzugt weist das Silicatglas ein Alumosilicatglas oder ein Phosphosilicatglas auf. Besonders bevorzugt ist das Silicatglas ein Alumosilicatglas.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind die Konverterpartikel durch chemische Bindungen an das anorganisch-organische Hybridmaterial und/oder das Silicatglas gebunden. Unter chemischen Bindungen können kovalente Bindungen, Ionenbindungen oder auch koordinative Bindungen verstanden werden. Durch die chemische Bindung der Konverterpartikel können Poren und Risse in der Konverterträgerschicht vermieden beziehungsweise stark reduziert werden. Poren- und rissfreie Konverterträgerschichten gewährleisten über die gesamte Konverterträgerschicht eine konstante und effiziente Wärmeabfuhr sowie eine konstante und effiziente Abstrahlcharakteristik der elektromagnetischen Primär- und/oder Sekundärstrahlung. Handelt es sich um eine Konverterträgerschicht umfassend Konverterpartikel und ein Silicatglas, entsteht durch die chemischen Bindungen ein festes keramisches Netzwerk.
Gemäß einer Ausführungsform des optoelektronischen Bauelements ist die Konverterträgerschicht frei von Poren und Rissen.
Gemäß einer Ausführungsform des optoelektronischen Bauelements weisen die Konverterpartikel einen Partikeldurchmesser von 1 bis 50 µm auf. Bevorzugt weisen die Konverterpartikel einen Partikeldurchmesser von 5 bis 15 µm, besonders bevorzugt von 10 µm auf. Insbesondere bei einer Partikelgröße von 10 µm ist die Wärmeleitfähigkeit der Konverterträgerschicht besonders hoch, was die Lebensdauer des optoelektronischen Bauelements deutlich verlängert.
Die Konverterpartikel können beispielsweise 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 Silicate, wie Orthosilicate, mit Metallen der seltenen Erden dotierte Chlorosilicate, mit Metallen der seltenen Erden dotierte Erdalkalisiliziumnitride, mit Metallen der seltenen Erden dotierte Oxinitride 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, Praseodym, Samarium, Mangan.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Konverterträgerschicht Konverterpartikel verschiedener Leuchtstoffe.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Konverterträgerschicht transparent für die von der aktiven Schicht der Schichtenfolge emittierte Primärstrahlung. Unter "transparent" wird vorliegend verstanden, dass ein Material, eine Schicht oder ein Element für das gesamte sichtbare elektromagnetische Spektrum oder eines Teilspektrums davon zumindest teilweise durchlässig ist. Die von der Schichtenfolge emittierte Strahlung kann beispielsweise im sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums liegen.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Konverterträgerschicht transparent für die von den Konverterpartikeln emittierte Sekundärstrahlung.
Bevorzugt weist die Konverterträgerschicht eine Transparenz von über 95 % auf, besonders bevorzugt liegt die Transparenz der Konverterträgerschicht bei über 98 % für die emittierte Primärstrahlung und/oder für die emittierte Sekundärstrahlung.
Möglich ist auch, dass das optoelektronische Bauelement ein Gehäuse umfasst. In dem Gehäuse kann in der Mitte eine Ausnehmung vorhanden sein. Die Schichtenfolge kann in der Ausnehmung angebracht sein. Es ist auch möglich, dass die Ausnehmung mit einem Verguss ausgefüllt ist.
In einer Ausführungsform ist die Konverterträgerschicht als Verguss ausgebildet. Der Verguss kann die Ausnehmung in dem Gehäuse ausfüllen. Es ist möglich, dass der Verguss in Kontakt zu der Umgebung steht. Handelt es sich bei der Konverterträgerschicht um einen Verguss, der in Kontakt mit der Umgebung steht, ist die Diffusionsrate von H₂O und Gasen aus der Umgebung durch das dichte Netzwerk der Konverterträgerschicht sehr gering. Besonders im Vergleich zu Konverterträgerschichten umfassend Silikon ist die Diffusionsrate von H₂O und Gasen aus der Umgebung deutlich herabgesetzt.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Konverterträgerschicht als ein Plättchen ausgebildet, das über der Schichtenfolge angeordnet wird. Das Plättchen kann direkt auf der Schichtenfolge angebracht sein. Es ist möglich, dass das Plättchen die gesamte Oberfläche der Schichtenfolge bedeckt. Ist die Konverterträgerschicht als ein Plättchen ausgeformt, ist es möglich, dass die Schichtdicke des gesamten Plättchens gleichmäßig ist. So kann über die gesamte Fläche des Plättchens ein konstanter Farbort erzielt werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform handelt es sich bei der Konverterträgerschicht um eine Linse. Es ist möglich, dass die Linse über einem Verguss angeordnet ist.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst das optoelektronische Bauelement zwei Konverterträgerschichten. So kann die Menge an Konverterpartikeln in dem optoelektronischen Bauelement erhöht werden, ohne dass der Volumenanteil der Konverterpartikel in einer Konverterträgerschicht zu hoch gewählt werden muss, beispielsweise über 50 Volumenprozent. So kann die Lichtkonversion effizienter gestaltet werden.
Bei der ersten Konverterträgerschicht kann es sich hierbei um einen Verguss umfassend Konverterpartikel und ein anorganisch-organisches Hybridmaterial und/oder ein Silicatglas handeln, wobei die Konverterpartikel in dem anorganisch-organischen Hybridmaterial und/oder dem Silicatglas verteilt sind. Bei der zweiten Konverterträgerschicht kann es sich um ein Plättchen, angebracht über der Schichtenfolge, umfassend Konverterpartikel und ein anorganisch-organisches Hybridmaterial und/oder ein Silicatglas handeln, wobei die Konverterpartikel in dem anorganisch-organischen Hybridmaterial und/oder dem Silicatglas verteilt sind.
Es ist auch möglich, dass es sich bei der zweiten Konverterträgerschicht um eine Linse, umfassend Konverterpartikel und ein anorganisch-organisches Hybridmaterial und/oder ein Silicatglas handelt, wobei die Konverterpartikel in dem anorganisch-organischen Hybridmaterial und/oder dem Silicatglas verteilt sind.
Möglich ist auch, dass es sich bei der ersten Konverterträgerschicht um ein Plättchen handelt, angebracht über der Schichtenfolge, umfassend Konverterpartikel und ein anorganisch-organisches Hybridmaterial und/oder ein Silicatglas, wobei die Konverterpartikel in dem anorganisch-organischen Hybridmaterial und/oder dem Silicatglas verteilt sind. Bei der zweiten Konverterträgerschicht kann es sich um eine Linse, umfassend Konverterpartikel und ein anorganisch-organisches Hybridmaterial und/oder ein Silicatglas handeln, wobei die Konverterpartikel in dem anorganisch-organischen Hybridmaterial und/oder dem Silicatglas verteilt sind.
Die erste und die zweite Konverterträgerschicht können die gleichen Konverterpartikel und das gleiche anorganisch-organische Hybridmaterial und/oder das gleiche Silicatglas umfassen.
Vorzugsweise umfassen die erste und die zweite Konverterträgerschicht unterschiedliche Konverterpartikel und unterschiedliche anorganisch-organische Hybridmaterialien und/oder unterschiedliche Silicatgläser.
Möglich ist auch, dass die erste und die zweite Konverterträgerschicht die gleichen Konverterpartikel und unterschiedliche anorganisch-organische Hybridmaterialien und/oder unterschiedliche Silicatgläser umfassen.
Es ist auch möglich, dass die erste und die zweite Konverterträgerschicht unterschiedliche Konverterpartikel und das gleiche anorganisch-organische Hybridmaterial und/oder das gleiche Silicatglas umfassen.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das optoelektronische Bauelement mindestens eine zweite Schichtenfolge.
Gemäß einer Ausführungsform sind die erste und die zweite und jede weitere Schichtenfolge nebeneinander angeordnet.
Es ist möglich, dass über der zweiten und jeder weiteren Schichtenfolge Konverterträgerschichten in Form eines Plättchens aufgebracht sind.
Es ist auch möglich, dass ein Plättchen über der ersten und der zweiten und jeder weiteren Schichtenfolge aufgebracht ist. So ist der Herstellungsprozess des optoelektronischen Bauelements optimiert, da nicht für jede Schichtenfolge ein Plättchen hergestellt und aufgebracht werden muss.
In einer weiteren Ausführungsform hat das Plättchen eine Dicke von 1 µm bis 1000 µm, bevorzugt 10 µm bis 500 µm, besonders bevorzugt 10 µm bis 70 µm. Mit einer Dicke von 10 µm bis 70 µm kann zum Einen eine effiziente Wärmeabfuhr erfolgen und zum anderen das optoelektronische Bauelement in seinen Ausmaßen gering gehalten werden.
Es ist möglich, dass über dem Plättchen ein Verguss angeordnet ist. Der Verguss kann aus herkömmlichen Vergussmaterialien ausgewählt sein.
Dass eine Schicht oder ein Element "auf" oder "über" einer anderen Schicht oder einem anderen Element angeordnet oder aufgebracht ist, kann dabei hier und im Folgenden bedeuten, dass die eine Schicht oder das eine Element unmittelbar in direktem mechanischen und/oder elektrischen Kontakt auf der anderen Schicht oder dem anderen Element angeordnet ist. Weiter kann es auch bedeuten, dass die eine Schicht oder das eine Element mittelbar auf beziehungsweise über der anderen Schicht oder dem anderen Element angeordnet ist. Dabei können dann weitere Schichten und/oder Elemente zwischen der einen oder der anderen Schicht beziehungsweise zwischen dem einen oder dem anderen Element angeordnet sein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist eine Haftschicht zwischen der Schichtenfolge und dem Plättchen angeordnet.
Es ist möglich, dass zwischen dem Verguss und der Linse eine Haftschicht angeordnet ist.
Dass eine Schicht oder ein Element zwischen zwei anderen Schichten oder Elementen angeordnet ist, kann hier und im Folgenden bedeuten, dass die eine Schicht oder das eine Element unmittelbar in direktem mechanischen und/oder elektrischen Kontakt oder in mittelbarem Kontakt zu einen der zwei anderen Schichten oder Elementen und in direktem mechanischen und/oder elektrischen Kontakt oder elektrischen oder in mittelbarem Kontakt zu anderen der zwei anderen Schichten oder Elementen angeordnet ist. Dabei können bei mittelbarem Kontakt dann weitere Schichten und/oder Elemente zwischen der einen und zumindest einer der zwei anderen Schichten beziehungsweise zwischen dem einen und zumindest einem der zwei anderen Elemente angeordnet sein.
Es ist möglich, dass die Haftschicht aus Silikon besteht oder Silikon umfasst. Durch Silikon ist eine gute Verklebung der Schichtenfolge und des Plättchens möglich. Durch die gute Verklebung der Schichtenfolge und des Plättchens wird einer frühzeitigen Delamination des Plättchens von der Schichtenfolge vorgebeugt und es kann somit die Lebensdauer des optoelektronischen Bauelements verlängert werden.
Durch Silikon ist auch eine gute Verklebung des Verguss und der Linse möglich. Durch die gute Verklebung des Verguss und der Linse wird einer frühzeitigen Delamination der Linse von dem Verguss vorgebeugt und es kann somit die Lebensdauer des optoelektronischen Bauelements verlängert werden.
Die Haftschicht kann vollflächig, strukturiert oder punktuell zwischen der Schichtenfolge und dem Plättchen aufgebracht sein.
Die Haftschicht kann vollflächig, strukturiert oder punktuell zwischen dem Verguss und der Linse aufgebracht sein. Die Haftschicht kann eine Schichtdicke von 1 µm bis 50 µm, bevorzugt 1 µm bis 30 µm, besonders bevorzugt 1 µm bis 20 µm aufweisen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform liegen die Konverterpartikel zu 1 bis 50 Volumenprozent in Bezug auf das anorganisch-organische Hybridmaterial und/oder das Silicatglas vor. Bevorzugt sind 10 bis 40 Volumenprozent, besonders bevorzugt sind 20 bis 30 Volumenprozent.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind die Konverterpartikel homogen oder mit Konzentrationsgradienten in dem anorganisch-organischen Hybridmaterial und/oder dem Silicatglas verteilt.
Die angegebenen Ausführungsformen des optoelektronischen Bauelements können gemäß nachfolgend genannter Verfahren hergestellt werden.
Weiterhin wird ein Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Bauelements umfassend eine Konverterträgerschicht angegeben. Die Konverterträgerschicht weist eine Wärmeleitfähigkeit zwischen 0,2 W/mK und 10,0 W/mK auf.
Gemäß einer Ausführungsform handelt es sich bei der Konverterträgerschicht um einen Verguss. Das Verfahren zur Herstellung umfasst folgende Verfahrensschritte:

A) Ausformen eines Gehäuses mit einer Ausnehmung,
B) Einbringen einer Schichtenfolge mit einer aktiven Schicht, die elektromagnetische Primärstrahlung emittiert, in die Ausnehmung des Gehäuses,
C) Mischen von Konverterpartikeln und
Ca) zumindest einer Verbindung der Formel I und zumindest einer Verbindung der Formel II
wobei M und M’ gleich oder unterschiedlich gewählt sein können und jeweils für ein Zentralatom mit der Ladung m oder m’ stehen, wobei R und R’ gleich oder unterschiedlich gewählt sein können und für Wasserstoff und/oder einen organischen Rest stehen, wobei Y für einen organischen Rest mit einer zur Vernetzung geeigneten reaktiven Gruppe steht, wobei x = m und wobei 0 < n < m’, 1 < x’ < m’ und x’ + n = m’ und/oder
Cb) SiO₂ und/oder Salze und Ester von Si(OH)₄ und zumindest eine Verbindung ausgewählt aus einer Gruppe, die Al₂O₃, Bi₂O₃, P₂O₃, Sc₂O₃ und Y₂O₃ umfasst,
D) Einbringen des Gemisches in die Ausnehmung,
E) Hydrolysieren und Kondensieren der unter Ca) und/oder Cb) angegebenen Verbindungen,
F) Vernetzung der unter E) hergestellten Verbindungen.

Da es möglich ist, auch die Silicatgläser über Hydrolyse und Kondensation herzustellen, können diese nun auch Bestandteil von Vergüssen sein. Die übliche Herstellung von Silicatgläsern durch Sintern ist aufgrund der sehr hohen erforderlichen Temperaturen, die das Bauelement schädigen würden nicht möglich.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens handelt es sich bei der Konverterträgerschicht um ein Plättchen. Das Verfahren zur Herstellung umfasst folgende Verfahrensschritte:

A) Ausformen eines Gehäuses mit einer Ausnehmung,
B) Einbringen einer Schichtenfolge mit einer aktiven Schicht, die elektromagnetische Primärstrahlung emittiert, in die Ausnehmung des Gehäuses,
C’) Herstellen einer Platte umfassend die Verfahrensschritte
C) Mischen von Konverterpartikeln und
Ca) zumindest einer Verbindung der Formel I und zumindest einer Verbindung der Formel II
wobei M und M’ gleich oder unterschiedlich gewählt sein können und jeweils für ein Zentralatom mit der Ladung m oder m’ stehen, wobei R und R’ gleich oder unterschiedlich gewählt sein können und für Wasserstoff und/oder einen organischen Rest stehen, wobei Y für einen organischen Rest mit einer zur Vernetzung geeigneten reaktiven Gruppe steht, wobei x = m und wobei 0 < n < m’, 1 < x’ < m’ und x’ + n = m’ und/oder
Cb) SiO₂ und/oder Salze und Ester von Si(OH)₄ und zumindest eine Verbindung ausgewählt aus einer Gruppe, die Al₂O₃, Bi₂O₃, P₂O₃, Sc₂O₃ und Y₂O₃ umfasst,
D’) Einbringen des Gemisches in eine flächige Form,
E) Hydrolysieren und Kondensieren der unter Ca) und/oder Cb) angegebenen Verbindungen.
F) Vernetzung der unter E) hergestellten Verbindungen
G) Vereinzelung der Platte zu mehreren Plättchen,
H) Aufbringen des Plättchens über der Schichtenfolge.

Durch die Herstellung der Plättchen durch Vereinzelung aus einer großen Platte können die Plättchen kostengünstig und schnell hergestellt werden. So kann aus einer Platte, die eine Fläche von beispielsweise 1 cm² aufweist, beispielsweise 100 Plättchen hergestellt werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform findet zwischen dem Verfahrensschritt A) und dem Verfahrensschritt B) ein Verfahrensschritt „A1) Herstellung der Schichtenfolge“ statt.
Es ist möglich, dass die Schichtenfolge in Verfahrensschritt A1) durch „a1) Bereitstellen einer großflächigen Schichtenfolge“ und „a2) Sägen oder sonstiges Zerteilen der großflächig erzeugten Schichtenfolge zu mehreren kleineren Einheiten mit der gleichen Schichtenfolge aber kleinerer Grundfläche“ erfolgt.
Handelt es sich bei der Konverterträgerschicht um ein Plättchen ist es möglich, dass der Verfahrensschritt C’) umfassend die Verfahrensschritte C), Ca), Cb), D’, E) und F) vor Verfahrensschritt A1) stattfindet. Nach Verfahrensschritt a1) könnte ein Verfahrensschritt „H’) Aufbringen der Platte über der großflächigen Schichtenfolge“ erfolgen. Gemäß dieser Ausführungsform sind die Verfahrensschritte G) und H) nicht mehr nötig. Diese Ausführungsform ermöglicht es die Verfahrensschritte a2) und G) in einem Schritt auszuführen, um so den gesamten Herstellungsprozess des optoelektronischen Bauelements zu optimieren.
Da es möglich ist, auch die Plättchen über Hydrolyse und Kondensation herzustellen, entfällt bei der Herstellung der Platte der aufwendige und teure Sinterprozess.
Möglich ist auch, dass statt der unter Cb) genannten Verbindungen bereits hydrolysierte und teilweise kondensierte Verbindungen aus SiO₂ und/oder Salzen und Estern von Si(OH)₄ und zumindest einer Verbindung, ausgewählt aus einer Gruppe, die Al₂O₃, Bi₂O₃, P₂O₃, Sc₂O₃ und Y₂O₃ umfasst, verwendet werden. Die Kondensation sollte jedoch nur soweit fortgeschritten sein, dass sich die Verbindung noch nicht verfestigt hat. Unter Schritt E) würde dann nur noch eine Kondensation dieser Verbindungen stattfinden. So kann der Schrumpf des Materials bei der Härtung verringert werden, da weniger Wasser bei der Kondensation entsteht. Es können bei dieser Methode dickere rissfreie Konverterträgerschichten hergestellt werden. Möglich sind bei Plättchen Dicken bis zu 1000 µm. Bei Vergüssen sind Dicken bis zu 600 µm möglich.
Es ist auch möglich, dass statt der unter Cb) genannten Verbindungen bereits hydrolysierte und teilweise kondensierte Verbindungen aus y(Na₂O)·x(SiO)₂·H₂O, SiO₂ und zumindest einer Verbindung, ausgewählt aus einer Gruppe, die Al₂O₃, Bi₂O₃, P₂O₃, Sc₂O₃ und Y₂O₃ umfasst, verwendet werden. Das Verhältnis y:x in der Formel y(Na₂O)·x(SiO₂)·H₂O liegt bei 1:1 bis 4:1, bevorzugt bei 2:1 bis 3,8:1. Die Kondensation sollte auch hier nur soweit fortgeschritten sein, dass sich die Verbindung noch nicht verfestigt hat.
Analog können auch bereits hydrolysierte und teilweise kondensierte Verbindungen der Formeln I und II in Verfahrensschritt Ca) eingesetzt werden. Unter Schritt E) würde dann nur noch eine Kondensation dieser Verbindungen stattfinden. Auch hier ist es möglich Plättchen mit Dicken bis zu 1000 µm und Vergüsse mit Dicken bis zu 600 µm in rissfreier Form herzustellen.
Möglich ist auch, dass vor Verfahrensschritt H) ein Verfahrensschritt „H1) Aufbringen einer Haftschicht auf die Schichtenfolge“ stattfindet. Die Haftschicht kann vollflächig, strukturiert oder punktuell auf die Schichtenfolge aufgebracht werden.
Möglich ist auch, dass vor Verfahrensschritt H) ein Verfahrensschritt „H2) Aufbringen einer Haftschicht auf das Plättchen“ stattfindet. Die Haftschicht kann vollflächig, strukturiert oder punktuell auf das Plättchen aufgebracht werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform erfolgt die Vereinzelung der Platte zu mehreren Plättchen in Verfahrensschritt G) mit einem Laser.
Es ist auch möglich, dass statt des Verfahrensschritts C’) den Verfahrensschritt durchzuführen:

„C*) Herstellen eines Plättchens umfassend die Verfahrensschritte
C) Mischen von Konverterpartikeln und
Ca) zumindest einer Verbindung der Formel I und zumindest einer Verbindung der Formel II
wobei M und M’ gleich oder unterschiedlich gewählt sein können und jeweils für ein Zentralatom mit der Ladung m oder m’ stehen, wobei R und R’ gleich oder unterschiedlich gewählt sein können und für Wasserstoff und/oder einen organischen Rest stehen, wobei Y für einen organischen Rest mit einer zur Vernetzung geeigneten reaktiven Gruppe steht, wobei x = m und wobei 0 < n < m’, 1 < x’ < m’ und x’ + n = m’ und/oder
Cb)SiO₂ und/oder Salze und Ester von Si(OH)₄ und zumindest eine Verbindung ausgewählt aus einer Gruppe, die Al₂O₃, Bi₂O₃, P₂O₃, Sc₂O₃ und Y₂O₃ umfasst,
D’) Einbringen des Gemisches in eine flächige Form,
E) Hydrolysieren und Kondensieren der unter Ca) und/oder
Cb) angegebenen Verbindungen“. Gemäß dieser Ausführungsform ist der Verfahrensschritt G) nicht mehr nötig.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens erfolgt nach Verfahrensschritt B) ein Verfahrensschritt „B1) Einbringen zumindest einer zweiten Schichtenfolge mit einer aktiven Schicht, die elektromagnetische Primärstrahlung emittiert, in die Ausnehmung des Gehäuses“.
Erfolgt ein Verfahrensschritt B1) so kann anstatt dem Verfahrensschritt H) der Verfahrensschritt „H*) Aufbringen eines ersten Plättchens über der ersten Schichtenfolge und Aufbringen eines zweiten Plättchens über der zweiten Schichtenfolge“, stattfinden.
Es ist auch möglich, dass anstatt des Verfahrensschritts H) den Verfahrensschritt „H**) Aufbringen des Plättchens über der ersten Schichtenfolge und über der zweiten Schichtenfolge“, durchzuführen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens findet der Verfahrensschritt E) bei einer Temperatur zwischen 20 °C und 150 °C statt. Höhere Temperaturen würden, wenn es sich bei der Konverterträgerschicht um einen Verguss handelt, die Schichtenfolge schädigen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens handelt es sich in Verfahrensschritt E) um einen Sol-Gel Prozess.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird der Verfahrensschritt E) der unter Ca) und/oder Cb) angegebenen Verbindungen bei einem pH-Wert von 1 bis 5 durchgeführt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird die Vernetzung in Schritt F) thermisch und/oder durch Strahlung initiiert.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird die Vernetzung in Schritt F) durch IR- und/oder UV-Strahlung initiiert.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird die Vernetzung in Schritt F) bei einer Temperatur von maximal 150 °C initiiert.
Es ist möglich, dass die Vernetzung in Verfahrensschritt F) bereits Bestandteil des Verfahrensschritts E) ist. Dies ist beispielsweise möglich, wenn Verfahrensschritt E) bei einer Temperatur größer Raumtemperatur durchgeführt wird.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Ausführungsbeispielen.
1 und 2 zeigen schematische Seitenansichten verschiedener Ausführungsformen von optoelektronischen Bauelementen.
3 und 4 zeigen die Wärmeleitfähigkeit von Konverterträgerschichten.
5A und 6A zeigen Rasterelektronenmikroskop-Aufnahmen von Konverterpartikeln.
6A und 6B zeigen Rasterelektronenmikroskop-Aufnahmen von Konverterträgerschichten.
In den Ausführungsbeispielen und Figuren sind gleiche oder gleich wirkende Bestandteile jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die dargestellten Elemente und deren Größenverhältnisse untereinander sind nicht als maßstabsgerecht anzusehen, vielmehr können einzelne Elemente insbesondere Schichtdicken zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein.
Das optoelektronische Bauelement 1 gemäß 1 zeigt einen Träger 5 mit einem Leiterrahmen 6. Auf dem Träger 5 ist eine Schichtenfolge 2 angeordnet, die mit dem Leiterrahmen 6 über Bonddrähte 7 elektrisch verbunden ist. Über der Schichtenfolge 2 ist eine Konverterträgerschicht in Form eines Plättchens 3 angebracht. Die Konverterträgerschicht 3 umfasst Konverterpartikel und ein anorganisch-organisches Hybridmaterial oder Konverterpartikel und ein Silicatglas, wobei die Konverterpartikel in dem anorganisch-organischen Hybridmaterial oder in dem Silicatglas beispielsweise homogen verteilt sind. Das Plättchen 3 ist in dem Strahlengang der elektromagnetischen Primärstrahlung angeordnet, die von einer aktiven Schicht (hier nicht gezeigt) in der Schichtenfolge 2 emittiert wird.
Zusätzlich kann zwischen der Schichtenfolge 2 und der Konverterträgerschicht 3 eine Haftschicht (hier nicht gezeigt) angebracht sein. Die Haftschicht kann beispielsweise Silikon umfassen.
Vorzugsweise handelt es sich bei dem optoelektronischen Bauelement 1 um eine LED, wobei die Strahlung nach oben über eine transparente Halbleiterschichtenfolge 2 und die Konverterträgerschicht 3, die transparent ausgebildet ist, ausgekoppelt wird.
Das optoelektronische Bauelement 1 gemäß 2 zeigt einen Träger 5 mit einem Leiterrahmen 6 und ein Gehäuse 8. Das Gehäuse 8 weist in der Mitte eine Ausnehmung auf, in der die Schichtenfolge 2 angeordnet ist, die mit dem Leiterrahmen 6 elektrisch verbunden ist. Die Ausnehmung ist mit einem Verguss 4 ausgefüllt. Der Verguss 4 umfasst Konverterpartikel und ein anorganisch-organisches Hybridmaterial oder Konverterpartikel und ein Silicatglas, wobei die Konverterpartikel in dem anorganisch-organischen Hybridmaterial oder in dem Silicatglas beispielsweise homogen verteilt sind. Der Verguss 4 ist in dem Strahlengang der elektromagnetischen Primärstrahlung angeordnet, die von einer aktiven Schicht (hier nicht gezeigt) in der Schichtenfolge 2 emittiert wird.
Zusätzlich kann über der Schichtenfolge eine weitere Konverterträgerschicht in Form eines Plättchens 3 angebracht sein. Das Plättchen 3 umfasst Konverterpartikel und ein anorganisch-organisches Hybridmaterial oder Konverterpartikel und ein Silicatglas, wobei die Konverterpartikel in dem anorganisch-organischen Hybridmaterial oder in dem Silicatglas beispielsweise homogen verteilt sind.
Vorzugsweise handelt es sich bei dem optoelektronischen Bauelement 1 um eine LED, wobei die Strahlung nach oben über eine transparente Halbleiterschichtenfolge 2 und einen transparenten Verguss 4 ausgekoppelt wird.
Die 3 zeigt die Wärmeleitfähigkeiten von Konverterträgerschichten. Die Konverterträgerschichten weisen eine Dicke von 1,0 bis 1,6 mm und eine Fläche von 10 mm × 10 mm auf. Auf der y-Achse ist die Wärmeleitfähigkeit in W/mK aufgetragen und auf der x-Achse ist die Temperatur T in °C aufgetragen. Die mit den Bezugzeichen I bis IV versehenen Wärmeleitfähigkeiten sind Konverterträgerschichten zugeordnet, bestehend aus:

I: Silikon;
II: Silikon und 3 Volumenprozent Konverterpartikel mit einem Durchmesser von 10 µm;
III: anorganisch-organisches Hybridmaterial hergestellt aus einer Verbindung der Formel I mit M = Al und einer Verbindung der Formel II mit M’ = Si.
IV: anorganisch-organisches Hybridmaterial hergestellt aus einer Verbindung der Formel I mit M = Al und einer Verbindung der Formel II mit M’ = Si und 3 Volumenprozent Konverterpartikel mit einem Durchmesser von 10 µm.

Es zeigt sich, dass die Konverterträgerschichten mit dem anorganisch-organischem Hybridmaterial (III) im Vergleich zu Konverterträgerschichten aus reinem Silikon (I) eine mehr als doppelt so hohe Wärmeleitfähigkeit besitzen. Die Wärmeleitfähigkeit der Konverterträgerschicht mit dem anorganisch-organischem Hybridmaterial (III) kann nochmals durch die Beimischung von Konverterpartikeln (IV) deutlich (um mehr als 100 %) gesteigert werden und weist dann eine um etwa einen Faktor 5 höhere Wärmeleitfähigkeit auf als die Konverterträgerschicht aus reinem Silikon (I). Die Konverterträgerschicht aus Silikon und Konverterpartikel (II) weist hingegen im Vergleich zu der Konverterträgerschicht aus Silikon (I) nur eine geringfügige Erhöhung auf.
Die 4 zeigt die Wärmeleitfähigkeiten von Konverterträgerschichten. Die Konverterträgerschichten weisen eine Dicke von 1,0 bis 1,6 mm und eine Fläche von 10 mm × 10 mm auf. Auf der y-Achse ist die Wärmeleitfähigkeit in W/mK aufgetragen und auf der x-Achse ist die Temperatur T in °C aufgetragen. Die mit den Bezugzeichen I, V, VI und VII versehenen Wärmeleitfähigkeiten sind Konverterträgerschichten zugeordnet, bestehend aus:

I: Silikon;
V: Alumosilicatglas und 20 Volumenprozent Konverterpartikel mit einem Durchmesser von 3 bis 5 µm;
VI: Alumosilicatglas und 30 Volumenprozent Konverterpartikel mit einem Durchmesser von 3 bis 5 µm;
VI: Alumosilicatglas und 20 Volumenprozent Konverterpartikel mit einem Durchmesser von 10 µm.

Es zeigt sich, dass die Konverterträgerschichten bestehend aus Alumosilicatglas und 20 Volumenprozent Konverterpartikel mit einem Durchmesser von 3 bis 5 µm (V) im Vergleich zu Konverterträgerschichten aus reinem Silikon (I) über zwölf mal so hohe Wärmeleitfähigkeit besitzen. Die Wärmeleitfähigkeit der Konverterträgerschicht kann nochmals durch die Beimischung von 30 Volumenprozent Konverterpartikel mit einem Durchmesser von 3 bis 5 µm zu dem Alumosilicatglas(VI) gesteigert werden. Die beste Wärmeleitfähigkeit wird bei der Konverterträgerschicht mit Alumosilicatglas und 20 Volumenprozent Konverterpartikeln mit einem Durchmesser von 10 µm erreicht (VII). Insgesamt wird mit Konverterträgerschichten bestehend aus dem Alumosilicatglas und Konverterpartikeln eine bis zu über 20 fach höhere Wärmeleitfähigkeit im Vergleich zu Konverterträgerschichten aus Silikon (I) erreicht.
Die 5a zeigt eine Aufnahme mit einem Rasterelektronenmikroskop von Konverterpartikeln einer Größe von 3 bis 5 µm.
5b zeigt eine Aufnahme mit einem Rasterelektronenmikroskop von den Konverterpartikeln aus 5a in einem Alumosilicatglas. Wie ersichtlich bilden die Konverterpartikel und das Alumosilicatglas eine poren- und rissfreie Schicht. Die Konverterpartikel sind chemisch an das Alumosilicatglas gebunden, so dass ein festes keramisches Netzwerk entsteht.
Die 6a zeigt eine Aufnahme mit einem Rasterelektronenmikroskop von Konverterpartikeln einer Größe von 5 bis 10 µm.
6b zeigt eine Aufnahme mit einem Rasterelektronenmikroskop von den Konverterpartikeln aus 6a in einem Alumosilicatglas. Wie ersichtlich bilden die Konverterpartikel und das Alumosilicatglas eine poren- und rissfreie Schicht. Die Konverterpartikel sind chemisch an das Alumosilicatglas gebunden, so dass ein festes keramisches Netzwerk entsteht.
Die 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

Optoelektronisches Bauelement (1) umfassend – eine Schichtenfolge (2) mit einer aktiven Schicht, die elektromagnetische Primärstrahlung emittiert; – zumindest eine Konverterträgerschicht (3, 4), die im Strahlengang der elektromagnetischen Primärstrahlung angeordnet ist, wobei die zumindest eine Konverterträgerschicht (3, 4) Konverterpartikel und ein anorganisch-organisches Hybridmaterial und/oder ein Silicatglas umfasst, wobei die Konverterpartikel in dem anorganisch-organischen Hybridmaterial und/oder in dem Silicatglas verteilt sind und wobei die Konverterpartikel zumindest teilweise die elektromagnetische Primärstrahlung in eine elektromagnetische Sekundärstrahlung konvertieren.
Optoelektronisches Bauelement (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Konverterträgerschicht (3, 4) eine Wärmeleitfähigkeit zwischen 0.2 W/mK und 10.0 W/mK aufweist.
Optoelektronisches Bauelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das anorganisch-organische Hybridmaterial durch Hydrolyse, gegenseitige Kondensation und Vernetzung zumindest einer Verbindung der Formel I und zumindest einer Verbindung der Formel II
hergestellt ist, wobei M und M’ gleich oder unterschiedlich gewählt sein können und jeweils für ein Zentralatom mit der Ladung m oder m’ stehen, wobei R und R’ gleich oder unterschiedlich gewählt sein können und für Wasserstoff und/oder einen organischen Rest stehen, wobei Y für einen organischen Rest mit einer zur Vernetzung geeigneten reaktiven Gruppe steht, wobei x = m und wobei 0 < n < m’, 1 < x’ < m’ und x’ + n = m’.
Optoelektronisches Bauelement (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei M und M’ ausgewählt sind aus einer Gruppe, die B, Al, Si, Ti, Zr, Zn umfasst.
Optoelektronisches Bauelement (1) nach einem der Ansprüche 3 oder 4, wobei die zur Vernetzung geeignete reaktive Gruppe aus einer Gruppe ausgewählt ist, die Fluor-, Chlor-, Brom-, Jod-, Amino-, Amid-, Aldehyd-, Keto-, Carboxy-, Thiol-, Hydroxy-, Acryloxy-, Methacryloxy-, Epoxy-, Ester-, Sulfonsäure-,Phosphorsäure- und Vinylsubstituenten umfasst.
Optoelektronisches Bauelement (1) nach einem der Ansprüche 3, 4 oder 5, wobei das anorganisch-organische Hybridmaterial durch Hydrolyse, gegenseitige Kondensation und Vernetzung einer Verbindung der Formel I und zwei Verbindungen der Formel II hergestellt ist.
Optoelektronisches Bauelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Silicatglas ausgewählt ist aus einer Gruppe, die Borosilicatglas, Alumosilicatglas, Phosphosilicatglas, Scandiumsilicatglas und Yttriumsilicatglas umfasst.
Optoelektronisches Bauelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Konverterpartikel durch chemische Bindungen an das anorganisch-organische Hybridmaterial und/oder das Silicatglas gebunden sind.
Optoelektronisches Bauelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Konverterträgerschicht (3, 4) frei von Poren und Rissen ist.
Optoelektronisches Bauelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Konverterpartikel einen Partikeldurchmesser von 1 bis 50 µm aufweisen.
Optoelektronisches Bauelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Konverterträgerschicht (3, 4) als Verguss (4) und/oder als ein Plättchen (3), angebracht über der Schichtenfolge (2), ausgebildet ist.
Optoelektronisches Bauelement (1) nach Anspruch 11, wobei zwischen der Schichtenfolge (2) und dem Plättchen (3) eine Haftschicht angeordnet ist.
Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Bauelements (1) umfassend eine Konverterträgerschicht (3, 4), die eine Wärmeleitfähigkeit zwischen 0.2 W/mK und 10.0 W/mK aufweist, wobei es sich bei der Konverterträgerschicht (3, 4) um einen Verguss (4) handelt, umfassend die Verfahrensschritte A) Ausformen eines Gehäuses (8) mit einer Ausnehmung, B) Einbringen einer Schichtenfolge (2) mit einer aktiven Schicht, die elektromagnetische Primärstrahlung emittiert, in die Ausnehmung des Gehäuses (8), C) Mischen von Konverterpartikeln und Ca) zumindest einer Verbindung der Formel I und zumindest einer Verbindung der Formel II
wobei M und M’ gleich oder unterschiedlich gewählt sein können und jeweils für ein Zentralatom mit der Ladung m oder m’ stehen, wobei R und R’ gleich oder unterschiedlich gewählt sein können und für Wasserstoff und/oder einen organischen Rest stehen, wobei Y für einen organischen Rest mit einer zur Vernetzung geeigneten reaktiven Gruppe steht, wobei x = m und wobei 0 < n < m’, 1 < x’ < m’ und x’ + n = m’ und/oder Cb) SiO₂ und/oder Salze und Ester von Si(OH)₄ und zumindest eine Verbindung ausgewählt aus einer Gruppe, die Al₂O₃, Bi₂O₃, P₂O₃, Sc₂O₃ und Y₂O₃ umfasst, D) Einbringen des Gemisches in die Ausnehmung, E) Hydrolysieren und Kondensieren der unter Ca) und/oder Cb) angegebenen Verbindungen, F) Vernetzung der unter E) hergestellten Verbindungen.
Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Bauelements (1) umfassend eine Konverterträgerschicht (3, 4), die eine Wärmeleitfähigkeit zwischen 0.2 W/mK und 10.0 W/mK aufweist, wobei es sich bei der Konverterträgerschicht (3, 4) um ein Plättchen (3) handelt, umfassend die Verfahrensschritte A) Ausformen eines Gehäuses (8) mit einer Ausnehmung, B) Einbringen einer Schichtenfolge (2) mit einer aktiven Schicht, die elektromagnetische Primärstrahlung emittiert, in die Ausnehmung des Gehäuses (8), C’) Herstellen einer Platte umfassend die Verfahrensschritte C) Mischen von Konverterpartikeln und Ca) zumindest einer Verbindung der Formel I und zumindest einer Verbindung der Formel II
wobei M und M’ gleich oder unterschiedlich gewählt sein können und jeweils für ein Zentralatom mit der Ladung m oder m’ stehen, wobei R und R’ gleich oder unterschiedlich gewählt sein können und für Wasserstoff und/oder einen organischen Rest stehen, wobei Y für einen organischen Rest mit einer zur Vernetzung geeigneten reaktiven Gruppe steht, wobei x = m und wobei 0 < n < m’, 1 < x’ < m’ und x’ + n = m’ und/oder Cb)SiO₂ und/oder Salze und Ester von Si(OH)₄ und zumindest eine Verbindung ausgewählt aus einer Gruppe, die Al₂O₃, Bi₂O₃, P₂O₃, Sc₂O₃ und Y₂O₃ umfasst, D’) Einbringen des Gemisches in eine flächige Form, E) Hydrolysieren und Kondensieren der unter Ca) und/oder Cb) angegebenen Verbindungen. F) Vernetzung der unter E) hergestellten Verbindungen G) Vereinzelung der Platte zu mehreren Plättchen (3), H) Aufbringen des Plättchens (3) über der Schichtenfolge (2).
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 oder 14, wobei der Verfahrensschritt E) bei einer Temperatur zwischen 20 °C und 150 °C stattfindet.