DE102012220980A1

DE102012220980A1 - Optoelektronisches halbleiterbauelement

Info

Publication number: DE102012220980A1
Application number: DE102012220980.8A
Authority: DE
Inventors: Angela Eberhardt; Christina Wille
Original assignee: Osram GmbH
Current assignee: Osram GmbH
Priority date: 2012-11-16
Filing date: 2012-11-16
Publication date: 2014-05-22
Also published as: WO2014076019A1

Abstract

Das optoelektronische Halbleiterbauelement verwendet einen Leuchtstoff, der einem Konversionselement zugeordnet ist. Das Konversionselement weist außerdem eine Glasmatrix auf sowie Streupartikel mit einem spezifischen mittleren Korngrößendurchmesser d50 im Bereich 0,05 bis 3,0 µm.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung geht aus von einem optoelektronischen Halbleiterbauelement gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, insbesondere eine Konversions-LED.
Stand der Technik
Die US 5 998 925 offenbart eine weiße LED. Dabei wird typisch ein Leuchtstoff in Silikon suspendiert und dann auf einem Chip aufgebracht. Die Schichten sind ca. 30 µm dick. Silikon besitzt eine schlechte Wärmeleitfähigkeit, die dazu führt, dass sich der Leuchtstoff im Betrieb stärker erwärmt und dadurch ineffizienter wird. Derzeit wird das Konversionselement mit einem organischen Kleber auf dem Chip befestigt.
Die WO 2006/122524 beschreibt eine Lumineszenzkonversions-LED, die einen Leuchtstoff verwendet, der in Glas eingebettet ist. Die DE 10 2010 042 217 beschreibt eine Glasmatrix, in die ein Leuchtstoff eingebracht ist, welche als Schicht auf eine Keramik oder Glaskeramik aufgebracht oder in eine Keramik eingebracht wird. Hier kann Streuung durch die Keramik oder Glaskeramik erfolgen.
Aus der WO 2007/107917 A2 ist eine Konversionskeramik bekannt, die u.a. die Lichtauskopplung durch den gezielten Einbau von Poren steuert.
Die WO2010038097 A1 beschreibt eine LED mit einem Konversionselement, das mit Silikon vergossen ist. In der Silikonmatrix sind weiße Partikel suspendiert, die bei einem bestimmten Gehalt u.a. zu einer verbesserten Lichtauskopplung führen.
Darstellung der Erfindung
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, bei einem optoelektronischen Halbleiterbauelement gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 eine verbesserte Lösung für das Problem der Wärmeabfuhr beim Konversionselement anzugeben. Eine weitere Aufgabe ist es, gleichzeitig die Effizienz einer Lumineszenzkonversions-LED zu erhöhen und deren Farbortwiedergabe über den Winkel zu verbessern.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1.
Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen. Die vorliegende Erfindung zeichnet sich durch verbesserte Effizienz und Lebensdauer der LED infolge verbesserter Lichtauskopplung und stärkerer Wärmeabfuhr des Konversionselements aus. Dies geschieht durch Ersatz eines organischen Materials (Kunststoff) für die Matrix durch ein anorganisches Glas, das eine bessere Wärmeleitfähigkeit, Temperatur- und UV-Beständigkeit besitzt, sowie den Einsatz von Streuern in diesem Glas.
Ziel der Erfindung ist eine verbesserte Effizienz der LED durch stärkere Wärmeabfuhr des anorganischen Matrixmaterials, das den konvertierenden Leuchtstoff und die Streupartikel enthält. Dies führt letztlich zu einer erhöhten Lebensdauer durch verbesserte thermische und UV-Beständigkeit. Hinzu kommt eine verbesserte Lichtauskopplung und bessere, kaum noch winkelabhängige Farbortwiedergabe. Außerdem ist eine Einsparung der Menge des benötigten Leuchtstoffs durch die Verwendung von Streupartikeln zu beobachten, was gerade bei teuren LED-Leuchtstoffen sowie bei Seltenerd-haltigen Leuchtstoffen ein wichtiger Aspekt ist.
Häufig wurde bisher der Leuchtstoff in Silikon suspendiert und dann siebgedruckt. Die Schichten sind ca. 30 µm dick.
Silikon besitzt aber eine schlechte Wärmeleitfähigkeit (ca. 0,1 W/mK), die dazu führt, dass sich der Leuchtstoff im Betrieb stärker erwärmt und dadurch ineffizienter wird. Zudem ist der Einsatz von Silikon bei Hochleistungs-LEDs grenzwertig, da es dauerhaft nur einer Temperatur von ca. 160°C standhält und bei ca. 300°C nur kurzfristig (wenige Sekunden) belastbar ist.
Organische Matrizes haben den Nachteil, dass sie meist niederbrechend sind, also einen Brechungsindex n_D in der Gegend von 1,5 besitzen. Die einzubettenden Leuchtstoffe besitzen in der Regel einen deutlich höheren Brechungsindex n_D, der bei Granaten bei ca. 1,85 und bei Nitriden um 2 liegt. Dadurch ergibt sich eine geringere Variabilität als bei einer glasigen anorganischen Matrix, da Gläser einen deutlich größeren Bereich an Brechungsindizies abdecken können(n_D ca. 1,5 bis > 2) und so z.B. die Möglichkeit bieten, ein Glas mit einem ähnlichen Brechungsindex als Matrix für den Leuchtstoff einzusetzen. Gleiches gilt auch in Verbindung mit den erfindungsgemäßen Streupartikeln, für deren Auswahl dadurch auch ein größerer Spielraum gegeben ist.
Bereits bekannt ist die Einbettung von Leuchtstoff in Glas, beispielsweise mit Verfahren wie in DE 10 2005 023 134 angegeben. Glas besitzt eine bessere Wärmeleitfähigkeit (ca. 1 W/mK) und eine bessere Temperatur- und Wärmestabilität als Silikon. Als bevorzugte Glasmatrix haben sich niederschmelzende Gläser mit einer Erweichungstemperatur von max. 600°C bewährt. Dies sind z. B. bleihaltige Gläser aus den Systemen PbO-B2O3, PbO-SiO2, PbO-B2O3-SiO2, sowie PbO-B2O3-ZnO2, PbO-B2O3-Al2O3, auch eine Kombination mit Bi2O3 ist möglich. Ferner können auch Gläser aus den bleifreien Systemen B2O3-ZnO, ZnO-B2O3-SiO2, B2O3-ZnO-SiO2, Bi2O3-B2O3, Bi2O3-B2O3-ZnO, Bi2O3-B2O3-SiO2, Bi2O3-B2O3-ZnO-SiO2 verwendet werden. Außerdem können auch weitere Glaskomponenten wie Al2O3, Erdalkalioxide, Alkalioxide, ZrO2, TiO2, HfO2, Nb2O5, Ta2O5, TeO2, WO3, MO3, Sb2O3, Ag2O, SnO2 sowie Seltenerdoxide enthalten sein. Ferner sind auch Phosphatgläser wie z.B. Alkaliphosphat, Aluminiumphosphat und SnO-Phosphat sowie Tellurid-Gläser als Matrix möglich. Wichtig für die Auswahl der geeigneten Glasmatrix ist ihre hohe Transmission im VIS und ihre weitgehend fehlende Reaktion mit dem Leuchtstoff, um die Quanteneffizienz des Leuchtstoffs nicht oder so gering wie möglich zu reduzieren. Besonders effektiv ist der Einsatz von Streupartikeln in der Glasmatrix, wenn Glasmatrix und Leuchtstoff möglichst wenig Unterschied im Brechungsindex aufweisen. Damit ist das Streuverhalten des Systems Konversionsmaterial von den Eigenschaften des verwendeten Leuchtstoffs entkoppelt, wodurch auch Leuchtstoffe mit einem Feinanteil eingesetzt werden, der normalerweise bei der Einbettung in organische Matrizes abgetrennt wird, um eine zu starke Rückstreuung im Konversionselement zu vermeiden. Nachteilig ist bei einem geringen Unterschied der Brechungsindizies, dass das Licht aufgrund von Totalreflektion schlechter ausgekoppelt wird. Die Auskopplung kann durch Streumittel, deren Zugabe an sich bereits bekannt ist, deutlich verbessert werden. Jedoch ist bisher nicht darauf geachtet worden, dass die Eigenschaften des Konversionselements durch sorgfältige Wahl der Eigenschaften des Streumittels gezielt verändert werden können.
Enthält die Glasmatrix Streuzentren, so wird das vom Chip emittierte primäre Licht zusätzlich im Konversionselement zum eingebetteten Leuchtstoff hin gestreut. Dadurch erfolgt eine verbesserte Farbwiedergabe über den Winkel, eine bessere Lichtauskopplung und eine effektivere Konversion durch den Leuchtstoff. Dadurch reicht beim Einsatz von Streupartikeln weniger Leuchtstoff zur Erzielung des gleichen Farborts aus als ohne Streupartikel. D.h. durch den Einsatz von Streuzentren kann die Menge an teurem Konversions-Leuchtstoff reduziert werden. Dadurch lässt sich ein erheblicher Kostenvorteil realisieren.
Wenn der Unterschied der Brechzahl der Glasmatrix und des Leuchtstoffs > 0,1 ist, erfolgt bereits eine Lichtstreuung aufgrund der unterschiedlichen Brechungsindizes. Diese Streuung wird umso größer, je größer der Unterschied der Brechungsindizes ist und wird zudem von der Korngrößenverteilung des Leuchtstoffs beeinflusst. Trotzdem führen auch hier zusätzliche Streupartikel in der Glasmatrix zu einer verbesserten Farbwiedergabe über den Winkel sowie zu einer Leuchtstoffeinsparung aufgrund der Streuung der Primärstrahlung. Als Streupartikel sind optisch nicht anregbare anorganische Verbindungen z.B. TiO2, CeO2, Bi2O3, Y2O3, ZrO2, ZrSiO4, SiO2, Al₂O₃, Mullit, ZnO, SnO₂, CaO, BaSO₄ geeignet oder auch Glaspartikel, die eine andere Brechzahl als die Glasmatrix aufweisen und eine höhere Erweichungstemperatur aufweisen als die Glasmatrix. In diesem Fall wirken die zugesetzten Streupartikel auch wie ein Füllstoff bei Kompositloten. Eine andere Möglichkeit ist die gezielte Entmischung der Glasmatrix in zwei nicht mischbare Glasphasen. Die mittlere Partikelgröße d50 der Streupartikel sollte bevorzugt in einem Bereich von ungefähr 0,05 µm bis ungefähr 3 µm liegen. Der d50-Wert bezieht sich auf die Partikelanzahl. Ein Brechzahlunterschied DELTA n von Streupartikeln und Matrix sollte vorhanden sein (DELTA n > 0), vorzugsweise ist DELTA n 0,01, besonders bevorzugt ist DELTA n 0,1. Prinzipiell wäre es auch möglich, eine Streuung durch den gezielten Einbau von Blasen in die Glasmatrix zu erzielen, jedoch ist dies prozesstechnisch nur schwer reproduzierbar herzustellen.
Die Art der Streupartikel, ihre Korngröße, die Anzahl im Glasvolumen sowie der Brechzahlunterschied von Streuer und Glasmatrix beeinflussen die Streuwirkung und Intensität. Da die Rückstreuung durch die Streupartikel die Effizienz der Lichtauskopplung negativ beeinflussen kann, muss ein Optimum zwischen Streuung und Rückstreuung gefunden werden, wohingegen eine stärkere Streuung den Farbort über Winkel verbessert.
Das Konversionselement kann beispielsweise wie folgt hergestellt werden:
Auftragen einer Glaslotpulverschicht mit Streupartikeln auf ein Substrat, Verglasen der Pulverschicht durch Temperaturbehandlung, Auftragen der Leuchtstoffpartikel, Einsinken des Leuchtstoffs in die Glaslotschicht durch Temperaturbehandlung. Eine andere Möglichkeit der Herstellung der glasigen Matrix ist das Sol-Gel-Verfahren.
Das Konversionselement kann mit der Chipoberfläche verklebt sein (CLC-Technik) oder davon beabstandet sein (remotephosphor-Technik). Vorzugsweise ist die glasige Schicht mit Leuchtstoff und Streupartikeln dem Chip zugewandt. Dies gilt sowohl für Voll- als auch Teilkonversion.
Die Dicke DG der Glasschicht ist typisch DG 1 µm und DG 200 µm, vorzugsweise DG 5 µm und DG 100 µm, insbesondere DG 10 µm und DG 50 µm. Bevorzugt ist die Dicke der Glasschicht mindestens so hoch wie die größten Leuchtstoffpartikel des verwendeten Leuchtstoffpulvers, insbesondere mindestens doppelt so dick. Als Material für die Glasschicht eignet sich bevorzugt ein niedrigschmelzendes Glas mit einer Erweichungstemperatur < 500°C, bevorzugt im Bereich 350 bis 480°C, wie beispielsweise in DE 10 2010 009 456 oder in DE-Az 10 2011 078 689.9 beschrieben.
Das Konversionselement kann entweder mit einem anorganischen Kleber wie einem niedrigschmelzenden Glas oder einem anorganischen Sol-Gel als auch mit organischem Kleber wie Silikon oder auch einem organischen Sol-Gel auf dem Chip befestigt werden. Ebenfalls kann es als „remote phosphor“, also mit Abstand zum Chip, eingesetzt werden.
Insbesondere ist das Glas hochbrechend (vorzugsweise n 1.8), insbesondere ist der Brechungsindex des Glases ähnlich dem Brechungsindex der eingebetteten Leuchtstoffkomponente gewählt und unterscheidet sich davon um nicht mehr als 0,15, bevorzugt maximal um 0,1. Für den Fall, dass mehr als eine Leuchtstoffkomponente im Glas eingebettet wird und sich zudem die Brechungsindizes der Leuchtstoffe um mehr als 0,1 unterscheiden, wird der Brechungsindex der Glasmatrix vorzugsweise an den der Leuchtstoffhauptkomponente angepasst. Die Differenz dieser beiden Brechungsindizes liegt dann bei 0,15, bevorzugt maximal 0,1.
Als Glasmatrix eignen sich beispielsweise Phosphatgläser und Boratgläser, insbesondere Bleiboratgläser, Alkaliphosphatgläser, Aluminiumphosphatgläser, Zinkphosphatgläser, Phospotelluritgläser, Bismuthboratgläser, Zinkboratgläser und Zink-Bismuth-Boratgläser sowie Alkalisilicatgläser, Germanatgläser und Telluritgläser.
Darunter fallen Zusammensetzungen aus den Systemen:
R₂O-ZnO-Al₂O₃-B₂O₃-P₂O₅ und R₂O-SiO₂ und R₂O-Al2O3-SiO2 (R₂O = Alkalioxid);
R₂O-TeO₂-P₂O₅(R₂O = Alkali- und/oder Silberoxid), auch in Verbindung mit ZnO und/oder Nb₂O₅ wie z.B. Ag₂O-TeO₂-P₂O₅ ZnO-Nb₂O₅;
Bi₂O₃-B₂O_3, auch in Verbindung mit SiO₂ und/oder Alkakli- und/oder Erdalkalioxid und/oder Al₂O₃ wie z.B. Bi₂O₃-B₂O₃-SiO₂;
ZnO-Bi₂O₃-B₂O_3, auch in Verbindung mit SiO₂ und/oder Alkali- und/oder Erdalkalioxid und/oder Al₂O₃ wie z.B. ZnO-Bi₂O₃-B₂O₃-SiO₂ oder ZnO-Bi₂O₃-B₂O₃-BaO-SrO-SiO₂;
Die Bi₂O₃-haltigen Systeme können auch weitere Glaskomponenten aufweisen, beispielsweise Al₂O₃, Erdalkalioxide, Alkalioxide, ZrO₂, TiO₂, HfO₂, Nb₂O₅, Ta₂O₅, TeO₂, WO₃, PbO, MO₃, Sb₂O₃, Ag₂O, SnO₂, sowie Seltenerdoxide.
ZnO-B₂O_3, auch in Verbindung mit SiO₂ und/oder Alkali- und/oder Erdalkalioxid und/oder Al₂O₃ wie z.B. ZnO-B₂O₃-SiO₂;
Bleihaltige Systeme wie PbO-B₂O₃, PbO-SiO₂, PbO-B₂O₃-SiO₂, PbO-B₂O₃-ZnO₂, PbO-B₂O₃-Al₂O₃.
Tellurit- und Germanatgläser mit der Hauptkomponente TeO₂ bzw. GeO₂.
Wesentlich ist, daß das Konversionselement eine Glasmatrix mit Streuern aufweist, in die ein Leuchtstoff eingebettet ist. Die Glasmatrix kann u. U. gleichzeitig als Kleber für den Verbund von Chip und Konversionselement dienen. Das verwendete Glas sollte bevorzugt kompakt gewählt sein, d.h. aufgeschmolzen und blasenarm. Der Streuer sollte im Glas homogen verteilt sein. Das optoelektronische Halbleiterbauelement kann insbesondere eine LED oder auch ein Laser bzw. Laserdiode sein.
Das neuartige Konversionselement auf Basis von niederschmelzendem Glas mit Leuchtstoff und Streupartikeln eignet sich für die direkte Aufbringung auf dem Chip (CLC) oder auch für die Anbringung in gewissem Abstand (remote phosphor). Durch den Einsatz von Streupartikeln wird die Farbwiedergabe, insbesondere die Winkelabhängigkeit, verbessert, außerdem ergibt sich eine bessere Lichtauskopplung und eine effektivere Konversion durch den Leuchtstoff; dadurch ist eine Einsparung an Leuchtstoff möglich.
Wesentliche Merkmale der Erfindung in Form einer numerierten Aufzählung sind:

1. Optoelektronisches Halbleiterbauelement mit einer Lichtquelle, einem Gehäuse und elektrischen Anschlüssen, wobei die Lichtquelle einen Chip aufweist, der primäre Strahlung emittiert, deren Peakwellenlänge insbesondere im Bereich 300 bis 490 nm liegt, wobei die primäre Strahlung teilweise oder vollständig durch ein davor angebrachtes Konversionselement in Strahlung anderer Wellenlänge umgewandelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Konversionselement eine Glasmatrix aufweist, in die Streupartikel, die selbst optisch nicht angeregt werden bzw. nicht optisch anregbar sind, eingebettet sind, deren mittlerer Korndurchmesser d50 im Bereich 0,05 µm bis 3 µm liegt und außerdem zumindest Partikel einer Sorte Leuchtstoff eingebettet sind, wobei sich die Brechungsindizes von Glasmatrix und Streupartikeln mindestens um 0,1 unterscheiden.
2. Optoelektronisches Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Brechungsindizes von Glasmatrix und Leuchtstoff um maximal 0,15 unterscheiden.
3. Optoelektronisches Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Glasmatrix mehr als eine Leuchtstoffkomponente enthält und sich die Brechungsindizes der Leuchtstoffe um mehr als 0,1 unterscheiden. Die Differenz der Brechungsindizes der Glasmatrix und der Leuchtstoffhauptkomponente liegt dann bei maximal 0,15, bevorzugt maximal 0,1.
4. Optoelektronisches Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, 2 oder 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Glasmatrix niedrigschmelzend ist und eine Erweichungstemperatur < 500°C besitzt.
5. Optoelektronisches Halbleiterbauelement nach Anspruch 1–4, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der Streupartikel ausgewählt ist aus mindestens einem der folgenden Gruppe: optisch nicht anregbare anorganische Verbindungen wie Streuzentren bildende Oxide oder Glaspartikel.
6. Optoelektronisches Halbleiterbauelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der Streupartikel Glaspartikel sind mit einer Erweichungstemperatur, die höher liegt als die des Materials der Glasmatrix.
7. Optoelektronisches Halbleiterbauelement nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass die Streupartikel mindestens eine Verbindung ausgewählt aus folgender Gruppe enthalten: TiO2, CeO2, Bi2O3, Y2O3, ZrO2, ZrSiO4, SiO2, Al2O3, Mullit, ZnO, SnO2, CaO, BaSO4.
8. Optoelektronisches Halbleiterbauelement nach Anspruch 1–7, dadurch gekennzeichnet, dass die Glasmatrix blasenarm oder im wesentlichen frei von Blasen ist.
9. Optoelektronisches Halbleiterbauelement nach Anspruch 1–8, dadurch gekennzeichnet, dass das Konversionselement mittels eines Klebers auf dem Chip befestigt ist oder beabstandet vom Chip angebracht ist.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Im Folgenden soll die Erfindung anhand von mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Die Figuren zeigen:
1 eine Konversions-LED mit neuartigem Konverterelement für CLC;
2 eine Konversions-LED mit neuartigem Konverterelement für remote-phosphor-Anwendungen;
3 bis 5 verschiedene Darstellungen des Streuverhaltens eines Konversionselements.
Bevorzugte Ausführung der Erfindung
1 zeigt als Halbleiterbauelement eine Konversions-LED 1, die als primäre Strahlungsquelle einen Chip 2 vom Typ In GaN verwendet. Sie hat ein Gehäuse 3 mit einem Board 4, auf dem der Chip sitzt, und einem Reflektor 5. Dem Chip ist ein Konversionselement 6 direkt per CLC Technik vorgeschaltet, das teilweise die blaue Strahlung mittels eines Leuchtstoffs, beispielweise YAG:Ce, in längerwellige Strahlung, hier gelb, konvertiert. Das Konversionselement 6 ist prinzipiell plättchenförmig und weist eine Glasmatrix auf, in der Leuchtstoffpulver und Streumaterial dispergiert ist. Die elektrischen Anschlüsse sind nicht dargestellt, sie entsprechen üblicher Technik.
Weitere Ausführungsbeispiele eines Konvertermaterials für die Konversion in blaues Licht sind z. B. hocheffiziente Leuchtstoffe vom Typ (Ba_0.4Eu_0.6)MgAl₁₀O₁₇, (Sr_0,96Eu_0,04)₁₀(PO₄)₆Cl₂. Ein Ausführungsbeispiel eines Konverters für die Konversion in gelbes Licht ist z. B. (Sr_1-x-yCe_xLi_y)₂Si₅N₈. Insbesondere liegt hier x und y jeweils im Bereich 0,1 bis 0,01. Besonders geeignet ist ein Leuchtstoff (Sr_1-x-yCe_xLi_y)₂Si₅N₈, bei dem x = y. Ferner sind auch Granate wie z.B. LuAG für eine Konversion in gelbes Licht möglich. Ausführungsbeispiele eines Konverters für die Konversion in rotes Licht sind z. B. Nitridosilikate, Calsine oder Sione des Typs MSi2O2N2:Eu, die für sich genommen gut bekannt sind. Eine Konversion in grünes Licht mit den entsprechenden Leuchtstoffen ist ebenfalls möglich.
Die 2 zeigt einen vergleichbaren Aufbau, bei dem das Konversionselement zum Chip beabstandet ist (remote-phosphor-Konzept). In beiden Figuren ist die glasige Schicht mit Leuchtstoff und Streupartikeln vorzugsweise dem Chip zugewandt. Das Konversionselement kann prinzipiell sowohl für Voll- als auch Teilkonversion eingesetzt werden. Ein Ausführungsbeispiel einer Glasmatrix ist wie folgt angegeben: 96 g Glaspulver aus dem System PbO-B2O3-SiO2 wird mit 4g TiO2 (Rutil) mit einer Korngröße d50 von 0,20 µm, bezogen auf die Anzahl, homogen gemischt. Der Brechungsindex n_D der Glasmatrix liegt bei ca. 1,8 und der Brechungsindex n_D von Rutil bei ca. 2,7. Daraus ergibt sich ein Brechzahlunterschied von 0,9. Zu der Pulvermischung wird durch den Zusatz eines Mediums mit Binder eine sieb- oder schablonendruckfähige Paste hergestellt. Ein dünnes 0,7 mm dickes Glasplättchen, das einen Brechungsindex n_D von ca. 1,5 besitzt, wird mit dieser Paste durch Sieb- oder Schablonendruck mit einer etwa 30 µm dicken Schicht beschichtet und im Anschluss an die Trocknung bei Temperaturen zwischen 400–800°C, vorzugsweise zwischen 500–700°C für 10–60 Minuten, vorzugsweise für 20–40 Minuten an Luft zu einer möglichst blasenarmen Schicht verglast. Auf die glasige Kompositschicht wird dann eine siebdruckfähige Leuchtstoffpaste, bestehend z.B. aus einem Granatleuchtstoff YAG:Ce mit einen Brechungsindex von ca. 1,85 und einem d50 von 10,0–14,0 m, in einem Medium mit Binder, durch Siebdruck aufgebracht. Die nasse, ca. 30 µm dicke Leuchtstoffschicht wird getrocknet. Bei einer weiteren Temperaturbehandlung zwischen 400–800°C, vorzugsweise 500–700°C, idealerweise bei 600°C für 10–60 Minuten, vorzugsweise für 20–40 Minuten in Luft sinkt der Leuchtstoff komplett in die glasige Schicht mit den TiO2-Streupartikeln ein. Dadurch erhält man ein intensiv gelbes, gleichmäßig semitransparentes Konversionselement, siehe 3a. Das Einsinken erfolgt vorzugsweise bei geringeren Temperaturen als das Verglasen, um den Leuchtstoff möglichst geringen Temperaturen auszusetzen.
Stellt man ein vergleichbares Konversionselement ohne Streupartikel her, so erhält man ein gelbes transparentes Konversionselement, da die Brechzahldifferenz von Leuchtstoff und Glasmatrix ca. 0,05 beträgt, s. 3b.
Durch die geringe Brechzahldifferenz von Glasmatrix und eingebettetem Leuchtstoff gibt es kaum Streuung am Leuchtstoff. Dies hat zwar den Vorteil, dass der Leuchtstoff ein breites Korngrößenspektrum haben darf. Nachteilig ist aber, dass dadurch die Primär- und Sekundärstrahlung sehr wenig durchmischt werden. Dies hat zur Folge, dass sich der Farbort als Funktion des Betrachtungswinkels deutlich ändert. Aufgrund des hohen Brechungsindex der Glasmatrix ergibt sich zusätzlich das Problem, dass das Licht aus dem Konversionselement schlecht ausgekoppelt wird und vielfach im Substratglas hin- und her reflektiert wird. Dies wird deutlich, wenn man das im Beispiel beschriebene Konversionselement ohne Streupartikel (3b) über der blauen Strahlung einer LED mit Peak-Wellenlänge von ca. 460 nm positioniert. 5 zeigt einen derartigen Aufbau. Hier wird das konvertierte Licht schlecht ausgekoppelt, wodurch die Kanten des Substratglases des Konversionselementes gelb leuchten. Zusätzlich ist ein Bereich mit überwiegend blauer Strahlung erkennbar. Hier leuchten die Kanten 80 des Substratglases des Konversionselementes nicht, da das Licht in vertikaler Richtung deutlich besser ausgekoppelt wird. Ferner sind keine Bereiche 81 mit blauer Primärstrahlung erkennbar, was auf eine bessere Lichtdurchmischung zurückzuführen ist. Hier leuchten die Kanten 80 des Substratglases des Konversionselementes, da das Licht in vertikaler Richtung schlecht ausgekoppelt wird. Ferner sind Bereiche 81 mit blauer Primärstrahlung erkennbar, was auf eine schlechte Lichtdurchmischung zurückzuführen ist.
4 zeigt den gleichen Aufbau mit dem im Beispiel beschriebenen Konversionselement mit den erfindungsgemäßen Streupartikeln. Hier leuchten die Kanten 80 des Substratglases des Konversionselementes nicht, da das Licht in vertikaler Richtung deutlich besser ausgekoppelt wird. Ferner sind keine Bereiche 81 mit blauer Primärstrahlung erkennbar, was auf eine bessere Lichtdurchmischung zurückzuführen ist. Ferner ist der Bereich mit weißem Licht in vergleichbarer Leuchtdichte gegenüber der 5 deutlich aufgeweitet. Somit zeigt sich, dass durch die Streupartikel in der hochbrechenden Glasmatrix die Lichtauskopplung und der Farbort als Funktion des Betrachtungswinkels deutlich verbessert werden kann. Ein weiterer positiver Effekt des Konversionselementes mit den erfindungsgemäßen Streupartikeln ist, dass zur Erzielung des gleichen Farborts weniger Leuchtstoff benötigt wird, da die Streupartikel die Primärstrahlung zu den Leuchtstoffpartikeln ablenken, wodurch diese effektiver ausgenutzt werden. Durch den geringeren Anteil an Leuchtstoff bzw. die geringere Anzahl an Leuchtstoffpartikeln pro Volumen der Glasmatrix, reduzieren sich auch entsprechend die Verluste durch Remission und erhöhen dadurch dementsprechend nochmals die Effizienz des Konversionselementes.
Neben dem mittleren Korndurchmesser d50 des Glaspulvers kann auch die Verteilungsbreite ein interessanter Parameter. Sie wird charakterisiert durch die Werte b20 und b80. Vorteilhaft hier sind enge Verteilungsbreiten, insbesondere ein b20 der mindestens 10%, bevorzugt mindestens 20%, von d50 gleichkommt und ein b80, das höchstens dem fünffachen Wert, bevorzugt höchstens dem vierfachen Wert, von d50 entspricht.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 5998925 [0002]
WO 2006/122524 [0003]
DE 102010042217 [0003]
WO 2007/107917 A2 [0004]
WO 2010038097 A1 [0005]
DE 102005023134 [0013]
DE 102010009456 [0019]
DE 102011078689 [0019]

Claims

Optoelektronisches Halbleiterbauelement mit einer Lichtquelle, einem Gehäuse und elektrischen Anschlüssen, wobei die Lichtquelle einen Chip aufweist, der primäre Strahlung emittiert, deren Peakwellenlänge insbesondere im Bereich 300 bis 490 nm liegt, wobei die primäre Strahlung teilweise oder vollständig durch ein davor angebrachtes Konversionselement in Strahlung anderer Wellenlänge umgewandelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Konversionselement eine Glasmatrix aufweist, in die Streupartikel, die selbst optisch nicht angeregt werden, eingebettet sind, deren mittlerer Korndurchmesser d50 im Bereich 0,05 µm bis 3 µm liegt und außerdem zumindest Partikel einer Sorte Leuchtstoff eingebettet sind, wobei sich die Brechungsindizes von Glasmatrix und Streupartikeln mindestens um 0,1 unterscheiden.
Optoelektronisches Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Brechungsindizes von Glasmatrix und Leuchtstoff um maximal 0,15 unterscheiden.
Optoelektronisches Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Glasmatrix mehr als eine Leuchtstoffkomponente enthält und sich die Brechungsindizes der Leuchtstoffe um mehr als 0,1 unterscheiden. Die Differenz der Brechungsindizes der Glasmatrix und der Leuchtstoffhauptkomponente liegt dann bei maximal 0,15, bevorzugt maximal 0,1.
Optoelektronisches Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Glasmatrix niedrigschmelzend ist und eine Erweichungstemperatur < 500°C besitzt.
Optoelektronisches Halbleiterbauelement nach Anspruch 1–4, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der Streupartikel ausgewählt ist aus mindestens einem der folgenden Gruppe: optisch nicht anregbare anorganische Verbindungen wie Streuzentren bildende Oxide oder Glaspartikel.
Optoelektronisches Halbleiterbauelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der Streupartikel Glaspartikel sind mit einer Erweichungstemperatur, die höher liegt als die des Materials der Glasmatrix.
Optoelektronisches Halbleiterbauelement nach Anspruch 5, 6 dadurch gekennzeichnet, dass die Streupartikel mindestens eine Verbindung ausgewählt aus folgender Gruppe enthalten: TiO2, CeO2, Bi2O3, Y2O3, ZrO2, ZrSiO4, SiO2, Al2O3, Mullit, ZnO, SnO2, CaO, BaSO4.
Optoelektronisches Halbleiterbauelement nach Anspruch 1–7, dadurch gekennzeichnet, dass die Glasmatrix blasenarm oder im wesentlichen frei von Blasen ist.
Optoelektronisches Halbleiterbauelement nach Anspruch 1–8, dadurch gekennzeichnet, dass das Konversionselement mittels eines Klebers auf dem Chip befestigt ist oder beabstandet vom Chip angebracht ist.