DE102015113052A1

DE102015113052A1 - Optoelektronisches Bauelement umfassend ein Konversionselement, Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Bauelements umfassend ein Konversionselement und Verwendung eines optoelektronischen Bauelements umfassend ein Konversionselement

Info

Publication number: DE102015113052A1
Application number: DE102015113052.1A
Authority: DE
Inventors: David O'Brien; Norwin von Malm
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2015-08-07
Filing date: 2015-08-07
Publication date: 2017-02-09
Also published as: DE112016003602A5; US10230024B2; WO2017025437A1; US20180198034A1

Abstract

Es wird ein optoelektronisches Bauelement angeben. Dieses umfasst eine Schichtenfolge mit einer aktiven Schicht, die dazu eingerichtet ist im Betrieb des Bauelements eine elektromagnetische Primärstrahlung zu emittieren und zumindest ein Konversionselement. Das zumindest eine Konversionselement ist im Strahlengang der elektromagnetischen Primärstrahlung angeordnet und umfasst Quantenpunkte und ein anorganisches Matrixmaterial. Die Quantenpunkte sind in dem anorganischen Matrixmaterial verteilt und dazu eingerichtet sind im Betrieb des Bauelements zumindest teilweise die elektromagnetische Primärstrahlung in eine elektromagnetische Sekundärstrahlung zu konvertieren.

Description

Die Erfindung betrifft ein optoelektronisches Bauelement umfassend ein Konversionselement, ein Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Bauelements umfassend ein Konversionselement und eine Verwendung eines optoelektronischen Bauelements umfassend ein Konversionselement.
Optoelektronische Bauelemente, wie beispielsweise lichtemittierende Dioden (LEDs), weisen häufig Konversionselemente mit einem Konvertermaterial auf. Konvertermaterialien wandeln die von einer Strahlungsquelle emittierte Strahlung in eine Strahlung mit veränderter, beispielsweise längerer, Wellenlänge um. Quantenpunkte weisen zahlreiche Vorteile im Vergleich zu konventionellen Konvertermaterialien auf. Beispielsweise kann mit Quantenpunkten eine schmale spektrale Halbwertsbreite auf halber Höhe des Maximums (FWHM; full width half maximum) der emittierten Strahlung erreicht werden. Zudem ist es durch den Einsatz von Quantenpunkten möglich, die Peakwellenlänge der Emissionsstrahlung sehr leicht zu variieren. Das macht die Quantenpunkte vor allem für Anwendungen in Festkörperbeleuchtungen und zur Hinterleuchtung von beispielsweise Displays interessant. Allerdings weisen die Quantenpunkte auch zahlreiche Nachteile auf, die ihren bisherigen Einsatz in optoelektronischen Bauelementen sehr einschränkt. Quantenpunkte sind sehr empfindlich gegenüber Sauerstoff und Feuchte, zudem sind sie sehr empfindlich gegenüber Temperaturen über 80 °C, die in optoelektronischen Bauelementen durch die Wärme, die durch die Fluoreszenz, aufgrund des Stoke-Shifts und nichtstrahlender Relaxationsprozesse entstehen. Zudem müssen die Quantenpunkte voneinander isoliert sein, um Energieverluste durch nichtstrahlende Prozesse zu vermeiden, die durch physischen Kontakt der Quantenpunkte untereinander entstehen. Es ist aus dem Stand der Technik bekannt, die Quantenpunkte in organische Matrixmaterialien, beispielsweise in Acrylate, einzubetten. Da die meisten organischen Matrixmaterialien allerdings sehr durchlässig für Sauerstoff und Feuchte sind, müssen die Quantenpunkte zusätzlich gegenüber der Umwelt abgeschirmt werden, dies wird beispielsweise durch das Aufbringen einer anorganischen Schicht, mittels eines CVD- oder PVD-Verfahrens erzielt. Problematisch ist hierbei, dass sich der thermische Ausdehnungskoeffizient solcher anorganischen Schichten deutlich von dem des organischen Matrixmaterials unterscheidet, sodass es schon bei geringsten Temperaturschwankungen aufgrund der thermischen Spannung zu Rissen kommt. Des Weiteren weisen organische Matrixmaterialien den Nachteil einer sehr geringen Wärmeleitfähigkeit auf, was die Intensität der Primärstrahlung mit der die Quantenpunkte angeregt werden kann, verringert. Insbesondere bei hohen Anregungsleistungen degradieren die Quantenpunkte aufgrund der entstehenden Wärme sehr schnell. Deshalb ist zur Erzielung der gewünschten Lichtausbeute eine Verteilung der Quantenpunkte über eine relativ große Fläche nötig, was aber die Sperrigkeit und Kosten solcher Bauelemente erhöht.
Aufgabe zumindest einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein optoelektronisches Bauelement mit einem Konversionselement mit verbesserten Eigenschaften gegenüber dem Stand der Technik bereitzustellen, das außerdem kostengünstig hergestellt werden kann. Zudem ist eine Aufgabe eine Verwendung des optoelektronischen Bauelements anzugeben.
Die Aufgaben werden durch ein optoelektronisches Bauelement mit den Merkmalen des Anspruchs 1, durch ein Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Bauelements mit den Merkmalen des Anspruchs 7 und durch eine Verwendung des optoelektronischen Bauelements mit den Merkmalen des Anspruchs 14 gelöst.
Vorteilhafte Ausbildungen 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 dazu eingerichtet ist im Betrieb des Bauelements eine elektromagnetische Primärstrahlung zu emittieren. Zudem umfasst das optoelektronische Bauelement zumindest ein Konversionselement, das im Strahlengang der elektromagnetischen Primärstrahlung angeordnet ist. Das zumindest eine Konversionselement umfasst Quantenpunkte und ein anorganisches Matrixmaterial. Die Quantenpunkte sind in dem anorganischen Matrixmaterial verteilt und dazu eingerichtet, im Betrieb des Bauelements zumindest teilweise die elektromagnetische Primärstrahlung in eine elektromagnetische Sekundärstrahlung zu konvertieren.
Dass die Quantenpunkte die elektromagnetische Primärstrahlung zumindest teilweise in eine elektromagnetische Sekundärstrahlung konvertieren, kann zum einen bedeuten, dass die elektromagnetische Primärstrahlung zumindest teilweise von den Quantenpunkten absorbiert und als Sekundärstrahlung mit einem zumindest teilweise von der Primärstrahlung verschiedenen Wellenlängenbereich emittiert wird. Ein Teil der absorbierten Primärstrahlung wird hierbei allerdings als Wärme von den Quantenpunkten abgegeben. Die elektromagnetische Primärstrahlung und elektromagnetische Sekundärstrahlung können eine oder mehrere Wellenlängen und/oder Wellenlängenbereiche in einem roten bis ultravioletten Wellenlängenbereich umfassen, insbesondere in einem sichtbaren Wellenlängenbereich.
Dass die Quantenpunkte zumindest teilweise die elektromagnetische Primärstrahlung in eine elektromagnetische Sekundärstrahlung konvertieren, kann auch bedeuten, dass die elektromagnetische Primärstrahlung nahezu vollständig durch die Quantenpunkte 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.
Gemäß einer Ausführungsform sind weitere Konvertermaterialien von dem Konversionselement umfasst.
Es ist möglich, dass das Bauelement eine Mischstrahlung aus Primärstrahlung und Sekundärstrahlung der Quantenpunkte, aus Primärstrahlung, Sekundärstrahlung der Quantenpunkte und Sekundärstrahlung der weiteren Konvertermaterialien, aus Sekundärstrahlung der Quantenpunkte oder Sekundärstrahlung der Quantenpunkte und Sekundärstrahlung der weiteren Konvertermaterialien emittiert, das beim Betrachter einen weißfarbigen Leuchteindruck erweckt.
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 und wobei zumindest eine aktive Schicht enthalten ist, die elektromagnetische Primärstrahlung emittiert.
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.
Durch ein Konversionselement umfassend Quantenpunkte und ein anorganisches Matrixmaterial kann die durch die Quantenpunkte und durch die Schichtenfolge entstehende Wärme in dem Konversionselement sehr gut abgeleitet werden. Dadurch entsteht nur ein geringer oder vernachlässigbarer Wärmestau in dem Konversionselement 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 und die Lebensdauer des optoelektronischen Bauelements verlängert werden. Zudem ist es möglich, dass die Quantenpunkte mit einer Primärstrahlung in einem hohen Leistungsbereich angeregt werden. Typische hohe Leistungsdichten liegen bei LEDs beispielsweise bei etwa 1,5 W/mm² für Primärstrahlung im blauen Spektralbereich, bei Lasern kann der Wert deutlich höher sein. Die Leistungsdichte kann damit größer oder gleich 1,5 W/mm² sein. Durch eine hohe optische Leistungsdichte verringert sich die notwendige zu bestrahlende Fläche und damit die Menge an Lichtquellen (LEDs) und auch an Quantenpunkten die zur Erzielung einer bestimmten Lichtausbeute notwendig sind. Ferner kann das Konversionselement mit vergleichsweise dünnen Schichtdicken hergestellt werden, was zudem die Kosten senkt. Zudem sind die Quantenpunkte durch das anorganische Matrixmaterial vor Feuchte und Sauerstoff geschützt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das anorganische Matrixmaterial eine Wärmeleitfähigkeit zwischen 1 und 50 W/mK auf. In diesen Bereichen kann die durch die Quantenpunkte und durch die Schichtenfolge entstehende Wärme in dem Konversionselement sehr gut abgeleitet werden. Je größer die Wärmeleitfähigkeit des anorganischen Matrixmaterials desto besser ist die Wärmeabfuhr. Im Vergleich zu organischen Matrixmaterialien ist die Wärmeleitfähigkeit deutlich erhöht. Damit kann eine konstante Leuchtstärke und ein konstanter Farbort über die Länge der Betriebsdauer des optoelektronischen Bauelements garantiert werden. Zudem ist es möglich, dass die Quantenpunkte mit einer Primärstrahlung in einem hohen Leistungsbereich angeregt werden, da die entstehende Wärme sehr gut abgeleitet wird und nicht zur Degradierung der Quantenpunkte führt.
In einer Ausführungsform ist das anorganische Matrixmaterial oder das Konversionselement 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 Primärstrahlung kann beispielsweise im sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums liegen.
In einer weiteren Ausführungsform ist das Konversionselement oder das anorganische Matrixmaterial transparent für die von den Quantenpunkten emittierte Sekundärstrahlung. Bevorzugt weist das anorganische Matrixmaterial eine Transparenz von über 95 % auf. Besonders bevorzugt liegt die Transparenz des anorganischen Matrixmaterials bei über 98 % für die emittierte Primärstrahlung und/oder für die emittierte Sekundärstrahlung.
In einer Ausführungsform sind die Quantenpunkte nanoskalige Materialstrukturen, die beispielsweise 5 × 10¹ bis 10⁵ Atome umfassen.
Quantenpunkte sind sehr empfindlich gegenüber Sauerstoff und Feuchte. Vorteilhafterweise sind die Quantenpunkte durch das sie umgebende anorganische Matrixmaterial sehr gut vor solchen Umwelteinflüssen geschützt, sodass die Quantenpunkte über die Betriebsdauer des Bauelements eine konstante Leistung zeigen.
In einer Ausführungsform umfassen die Quantenpunkte einen II/IV- oder III/V-Halbleiter. Beispielsweise sind die Quantenpunkte aus einer Gruppe ausgewählt, die InP, CdS, CdSe und CuInSe₂ umfasst.
In einer Ausführungsform weisen die Quantenpunkte einen durchschnittlichen Durchmesser von 3 bis 10 nm, besonders bevorzugt von 3 bis 5 nm auf. Durch die Variation der Größe der Quantenpunkte kann gezielt die Wellenlänge der Sekundärstrahlung variiert und damit für die jeweilige Anwendung entsprechend angepasst werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weisen die Quantenpunkte eine spektrale Halbwertsbreite auf halber Höhe des Maximums, kurz FWHM oder Full-width at half maximum, von höchstens 50 nm, besonders bevorzugt von höchstens 35 nm auf. Die Halbwertsbreite liegt beispielsweise bei 30 nm.
In einer Ausführungsform umfassen die Quantenpunkte einen Kern und eine Hülle. Der Kern ist dabei aus den genannten II/IV- oder III/V-Halbleitermaterialien gebildet und ist von einer Hülle umgeben. Insbesondere besteht der Kern aus den II/IV- oder III/V-Halbleitermaterialien. Die Hülle kann ein anorganisches Material umfassen oder daraus bestehen. Insbesondere weisen der Kern und die Hülle einen direkten Kontakt zueinander auf.
Das anorganische Material der Hülle kann ZnS oder ZnSe umfassen oder daraus bestehen.
In einer Ausführungsform liegen die Quantenpunkte zu 1 bis 99 Volumenprozent vor bezogen auf die Gesamtmenge an Quantenpunkten und anorganischen Matrixmaterial. Ist das Konversionselement als Plättchen ausgebildet liegen die Quantenpunkte bevorzugt zu 90 bis 99 Volumenprozent bezogen auf die Gesamtmenge an Quantenpunkten und anorganischen Matrixmaterial vor.
Gemäß einer Ausführungsform ist das anorganische Matrixmaterial ein Glas oder eine Keramik.
In einer Ausführungsform ist das anorganische Material der Hülle der Quantenpunkte Bestandteil der Keramik oder des Glases des anorganischen Matrixmaterials. So sind die Quantenpunkte fest in das Netzwerk des anorganischen Matrixmaterials eingebaut. Damit kann die entstehende Wärme sehr effizient von den Quantenpunkten über das anorganische Matrixmaterial abgeleitet werden.
In einer Ausführungsform ist das anorganische Matrixmaterial ein Metalloxid, ein Metallsulfid, ein Metallsilikat und/oder ein Metallphosphat. Bevorzugt ist das anorganische Matrixmaterial ein Metalloxid oder ein Metallsulfid, besonders bevorzugt ein Metalloxid.
In einer Ausführungsform ist das Metall des Metalloxids, des Metallsulfids, des Metallsilikats und/oder des Metallphosphats aus einer Gruppe ausgewählt, die Zink, Titan, Zirkonium, Silizium, Germanium, Aluminium, Lithium, Kalium, Natrium, Calcium, Magnesium, Kupfer und Kombinationen daraus umfasst. Bevorzugt ist das Metall aus einer Gruppe ausgewählt, die Zink, Titan, Zirkonium, Silizium, Aluminium und Kombinationen daraus umfasst.
In einer Ausführungsform sind die Quantenpunkte durch chemische Bindungen an das anorganische Matrixmaterial gebunden. Bevorzugt handelt es sich kovalente und/oder ionische Bindungen. Insbesondere besteht die chemische Bindung zwischen dem Material der Hülle des Quantenpunkts und dem anorganischen Matrixmaterial.
In einer Ausführungsform umfasst oder besteht das anorganische Matrixmaterial aus ZnO, ZnS, TiO₂, ZrO₂, SiO₂, AlPO₄, M₄SiO₄, M₂SiO₃, M₂Si₂O₅ und/oder M₂Si₃O₇ mit M = Li, Na und/oder K. Bei diesen anorganischen Matrixmaterialien kann gewährleistet werden, dass das Energieband des anorganischen Matrixmaterials größer ist als die Energie der durch die Quantenpunkte emittierten Sekundärstrahlung.
In einer Ausführungsform sind die Quantenpunkte homogen oder mit einem Konzentrationsgradienten in dem anorganischen Matrixmaterial verteilt.
In einer Ausführungsform sind die Quantenpunkte beabstandet voneinander in dem Konversionselement angeordnet. Dadurch können nicht strahlende Energieverluste, die durch physischen Kontakt von Quantenpunkten untereinander entstehen, vermieden beziehungsweise weitgehend vermieden werden.
In einer Ausführungsform ist über dem Konversionselement eine Schutzschicht angeordnet. Insbesondere besteht zwischen dem Konversionselement und der Schutzschicht ein direkter Kontakt. Die Schutzschicht besteht oder umfasst ein anorganisches Material.
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 mechanischem und/oder elektrischem 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.
Dadurch, dass die Schutzschicht und das anorganische Matrixmaterial ein anorganisches Material umfassen oder daraus bestehen, kann gewährleistet werden, dass der thermische Ausdehnungskoeffizient gleich oder nahezu gleich ist. Dadurch kommt es bei Temperaturschwankungen und Temperaturerhöhungen zu einer gleichmäßigen Ausdehnung der Materialien und somit nicht oder kaum zu thermischen Spannungen, die zu Rissen führen.
In einer Ausführungsform ist die Schutzschicht mittels eines ALD („atomic layer deposition“, PVD („physical vapor deposition“) oder CVD („chemical vapor deposition“) Verfahrens auf das Konversionselement aufgebracht. Durch diese Verfahren können sehr dichte Schichten erzeugt werden, so dass das Konversionselement mit einer solchen Schutzschicht nochmals gegen das Eindringen von Sauerstoff und Feuchtigkeit geschützt wird. Die Schutzschicht kann Al₂O₃, SiO₂, TiO₂, Si₃N₄ oder Zinkzinnoxid umfassen. Beispielsweise umfasst die Schicht Al₂O₃ oder besteht aus Al₂O₃. Es ist auch möglich, dass mehrere Schutzschichten, beispielsweise aus Al₂O₃ über dem Konversionselement angeordnet sind. Es ist möglich, dass die Schutzschicht die gesamte Oberfläche des Konversionselements, die von der Schichtenfolge abgewandt ist, bedeckt.
Das optoelektronische Bauelement kann ein Gehäuse umfassen. 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 die Schichtenfolge abdeckenden Verguss aufgefüllt ist. Die Ausnehmung kann aber auch aus einem Luftraum bestehen.
Gemäß einer Ausführungsform ist das Konversionselement als ein Plättchen ausgebildet, das über der Schichtenfolge angeordnet ist. Das Plättchen kann direkt in mechanischen Kontakt zu der Schichtenfolge stehen oder von dieser beabstandet angeordnet sein.
Die Schichtdicke des gesamten Plättchens kann gleichmäßig sein. So kann über die gesamte Fläche des Plättchens ein konstanter Farbort erzielt werden. Beispielsweise liegt die Schichtdicke zwischen 100 nm und 150 µm.
Das Plättchen kann in einer Ausführungsform direkt auf der Schichtenfolge aufgebracht sein. Es ist möglich, dass das Plättchen die gesamte Oberfläche der Schichtenfolge bedeckt.
In einer Ausführungsform ist das Plättchen über der Ausnehmung des Gehäuses angeordnet. Bei dieser Ausführungsform des Konversionselements besteht kein direkter und/oder formschlüssiger Kontakt des Konversionselements mit der Schichtenfolge. Das heißt, dass zwischen dem Konversionselement und der Schichtenfolge ein Abstand bestehen kann. Mit anderen Worten ist das Konversionselement der Schichtenfolge nachgeordnet und wird von der Primärstrahlung angestrahlt. Zwischen Konversionselement und der Schichtenfolge kann dann ein Verguss oder ein Luftspalt ausgebildet sein.
In einer Ausführungsform ist eine Haftschicht zwischen der Schichtenfolge und dem Plättchen oder zwischen dem Plättchen und dem Gehäuse angeordnet. Zusätzlich kann eine Haftschicht zwischen dem Plättchen und dem Verguss angeordnet sein.
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 mechanischem und/oder elektrischem Kontakt oder in mittelbarem Kontakt zu einem der zwei anderen Schichten oder Elementen und in direktem mechanischem und/oder elektrischem Kontakt oder elektrischem oder in mittelbarem Kontakt zu 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 das Plättchen separat hergestellt wird und auf die Schichtenfolge aufgebracht ist. In diesem Fall kann eine Haftschicht zur Fixierung des Plättchens auf der Schichtenfolge oder dem Gehäuse aufgebracht sein.
In einer Ausführungsform umfasst die Haftschicht SiO₂, Si₃N₄, Al₂O₃, ITO (Indiumzinnoxid), ZnO oder Silikon oder besteht aus einer dieser Materialien.
In einer Ausführungsform ist das Plättchen direkt auf der Schichtenfolge oder dem Gehäuse hergestellt. Dies erweist sich insbesondere bei Plättchen mit geringen Schichtdicken als vorteilhaft.
In einer Ausführungsform ist das Konversionselement als Verguss ausgebildet. Der Verguss kann die Ausnehmung in dem Gehäuse ausfüllen. Das Konversionselement ist deckt in dieser Ausführungsform die Schichtenfolge ab.
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.
Die angegebenen Ausführungsformen des optoelektronischen Bauelements können gemäß nachfolgend genanntem Verfahren hergestellt werden. Alle unter dem Verfahren genannten Merkmale des optoelektronischen Bauelements können auch Merkmale der oben ausgeführten Ausführungsbeispiele des optoelektronischen Bauelements sein und umgekehrt.
Es wird ein Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Bauelements umfassend ein Konversionselement angegeben. Das Verfahren umfasst folgende Verfahrensschritte:

A) Bereitstellen einer Schichtenfolge mit einer aktiven Schicht, wobei die aktive Schicht dazu eingerichtet ist, eine elektromagnetische Primärstrahlung zu emittieren,
B) Bereitstellen von Quantenpunkten, wobei die Quantenpunkte mit einer organischen Gruppe funktionalisiert sind und/oder die Quantenpunkte in einem ersten Lösungsmittel gelöst oder dispergiert sind,
C) Bereitstellen eines Gemisches umfassend einen Precursor eines anorganischen Matrixmaterials und eines zweiten Lösungsmittels,
D) Mischen des aus Verfahrensschritt C) erhaltenen Gemisches mit den Quantenpunkten aus Verfahrensschritt B),
E) Trocknen des Gemisches,
F) Sintern des Gemisches zur Bildung des Konversionselements.

In einer Ausführungsform umfasst das Gemisch in Verfahrensschritt C) eine Base. Beispielsweise ist die Base LiOH, Mg(OH)₂, NaOH oder KOH. Bevorzugt ist die Base LiOH.
In einer Ausführungsform umfasst das Gemisch in Verfahrensschritt D) eine Base oder eine weitere Base. Beispielsweise ist die Base LiOH, Mg(OH)₂, NaOH oder KOH. Bevorzugt ist die Base Mg(OH)₂, NaOH oder KOH.
Durch die Zugabe der Base wird das anorganische Matrixmaterial ausgefällt. Es bildet sich das anorganische Matrixmaterial in kolloidaler Form.
In einer Ausführungsform ist das erste und/oder das zweite Lösungsmittel aus einer Gruppe ausgewählt, die Wasser, Methanol, Ethanol, n-Propanol, i-Propanol, n-Butanol und Kombinationen daraus umfasst. Bevorzugt handelt es sich bei dem ersten und/oder zweiten Lösungsmittel um Ethanol.
In einer Ausführungsform ist die organische Gruppe aus einer Gruppe ausgewählt, die Alkoholate, Phosphonate und Sulfonate umfasst. Insbesondere ist die organische Gruppe an die Hülle der Quantenpunkte chemisch angebunden. Über die organischen Gruppen kann über eine chemische Reaktion eine Anbindung der Quantenpunkte an das anorganische Matrixmaterial erfolgen. Es ist auch möglich, dass die organische Gruppe abgespalten wird und somit in dem Konversionselement nicht mehr vorhanden ist.
In einer Ausführungsform ist der Precursor des anorganischen Matrixmaterials ein Metallsalz, wobei das Metall aus einer Gruppe ausgewählt ist, die Zink, Titan, Zirkonium, Silizium, Germanium, Aluminium, Lithium, Kalium, Natrium, Calcium, Magnesium, Kupfer und Kombinationen daraus umfasst.
In einer Ausführungsform ist der Precursor des anorganischen Matrixmaterials aus einer Gruppe ausgewählt, die Acetate, Thioacetate, Thiolate, Alkoholate, Phosphonate und Hydroxide umfasst. Bevorzugt handelt es sich bei dem Precursor des anorganischen Matrixmaterials um Acetate, Thiolate, Thioacetate, oder Alkoholate, besonders bevorzugt um Acetate. Beispielsweise handelt es sich bei dem Precursor des anorganischen Matrixmaterials um ein Acetat, beispielsweise Zinkacetat.
Aus dem in Verfahrensschritt C) bereitgestellten Gemisch entsteht mittels eines sogenannten Sol-Gel Prozesses das anorganische Matrixmaterial in kolloidaler Form in dem ersten oder ersten und zweiten Lösungsmittel. Die Bildung des anorganischen Matrixmaterials in kolloidaler Form erfolgt bei einer Temperatur zwischen 20 °C und 100 °C, vorzugsweise unterhalb der Siedetemperatur des ersten und/oder zweiten Lösungsmittels. Die Bildung des anorganischen Matrixmaterials in kolloidaler Form kann auch als Solbildung bezeichnet werden.
In einer Ausführungsform umfasst oder besteht das anorganische Matrixmaterial aus ZnO, ZnS, TiO₂, ZrO₂, SiO₂, AlPO₄, M₄SiO₄, M₂SiO₃, M₂Si₂O₅ und/oder M₂Si₃O₇ mit M = Li, Na und/oder K.
In einer Ausführungsform werden das erste und das zweite Lösungsmittel im Verfahrensschritt E) entfernt. Hierbei werden auch etwaige organische Nebenprodukte wie Alkohole oder entstehendes H₂O entfernt.
In einer Ausführungsform wird Verfahrensschritt E) bei einer Temperatur zwischen 20 °C und 100 °C durchgeführt.
In einer Ausführungsform wird das in Verfahrensschritt D) erhaltene Gemisch direkt auf die Schichtenfolge aufgebracht. Damit kann sich das Konversionselement direkt auf der Schichtenfolge ausbilden. Mit Vorteil ist hier keine Haftschicht zwischen der Schichtenfolge und dem Konversionselement nötig. Dadurch wird das Konversionselement in dem Bauelement mechanisch von der Schichtenfolge gestützt und es ist mit Vorteil nicht nötig eine sogenanntes „pick and place“-Verfahren anzuwenden, das heißt ein separates Herstellen des Konversionselements und anschließendes Aufbringen auf der Schichtenfolge. Insbesondere wenn das Konversionselement dünn ist, beispielsweise nur einige Nanometer, bietet diese Methode erhebliche Vorteile. Zudem ist es so möglich das Konversionselement direkt an die Maße der Schichtenfolge anzupassen. Ein nachträgliches Anpassen der Größe, wie bei der separaten Herstellung des Konversionselements ist daher nicht notwendig.
In einer Ausführungsform wird das in Verfahrensschritt D) erhaltene Gemisch direkt auf einen Verguss und ein Gehäuse aufgebracht. Die Schichtenfolge ist dabei in der Ausnehmung des Gehäuses angeordnet und die Ausnehmung mit einen Verguss gefüllt. Damit kann sich das Konversionselement direkt auf dem Verguss und dem Gehäuse ausbilden, also über der Ausnehmung des Gehäuses.
Das Aufbringen des in Verfahrensschritt D) erhaltenen Gemisches kann durch Tauschbeschichtung, Schablonendruck, Siebdruck, Inkjetten, Sprühen oder Spincoaten erfolgen.
In einer Ausführungsform erfolgt das Sintern in Verfahrensschritt in Verfahrensschritt F) bei einer Temperatur unter 300 °C, bevorzugt unter 200 °C, beispielsweise zwischen 100 °C und 300 °C. Insbesondere wenn das Sintern des Gemisches erfolgt, wenn dieses auf der Schichtenfolge aufgebracht ist, kann bei diesen Temperaturen gewährleistet werden, dass die Schichtenfolge bei diesen Temperaturen nicht beschädigt wird.
In einer Ausführungsform wird das anorganische Material der Hülle der Quantenpunkte durch das Sintern Bestandteil der Keramik oder des Glases des anorganischen Matrixmaterials. So werden die Quantenpunkte fest in das Netzwerk des anorganischen Matrixmaterials eingebaut.
Die angegebenen Ausführungsformen des Leuchtstoffs können für nachfolgend genannte Verwendung eingesetzt werden. Merkmale des Leuchtstoffs und des Verfahrens sind daher auch für die Verwendung offenbart und umgekehrt.
Es wird die Verwendung eines optoelektronischen Bauelements für Hinterleuchtungsanwendungen angegeben. Für Hinterleuchtungsanwendungen muss ein breiter Farbraum mit schmalbandig rot und grün emittierenden Leuchtstoffen erreicht werden, was mittels der schmalbandigen Emission der Quantenpunkte möglich ist.
In einer Ausführungsform kann die Schichtenfolge als primäre Strahlungsquelle eine Primärstrahlung emittieren mit einer Emissionswellenlänge von beispielsweise 350–450 nm.
In einer Ausführungsform der Verwendung betrifft diese die Hinterleuchtung von Displays. 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.
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 ein Konversionselement 3 in Form eines Plättchens angebracht. Das Konversionselement 3 umfasst Quantenpunkte 3a und ein anorganisches Matrixmaterial, wobei die Quantenpunkte 3a in dem anorganischen Matrixmaterial homogen verteilt sind. Das anorganische Matrixmaterial besteht beispielsweise aus ZnO. Die Quantenpunkte 3a bestehen beispielsweise CdSe und einer Hülle aus ZnS. Insbesondere ist das anorganische Matrixmaterial eine Keramik und durch das Herstellungsverfahren ist das ZnS der Hülle der Quantenpunkte 3a Bestandteil der Keramik. Das Plättchen ist in dem Strahlengang der elektromagnetischen Primärstrahlung angeordnet, die von einer aktiven Schicht (hier nicht separat dargestellt) in der Schichtenfolge 2 emittiert wird. Durch die hohe Wärmeleitfähigkeit des anorganischen Matrixmaterials kann die entstehende Wärme in dem Konversionselement 3 sehr gut abgeleitet werden. Dadurch entsteht nur ein geringer oder vernachlässigbarer Wärmestau in dem Konversionselement 3 und es kann eine konstante Leuchtstärke und ein konstanter Farbort über die Länge der Betriebsdauer des optoelektronischen Bauelements 1 garantiert werden. Dadurch ist es möglich die Quantenpunkte 3a mit einer höheren Strahlungsdichte der Primärstrahlung anzuregen. Damit werden zur Erzielung einer gewünschten Lichtausbeute weniger Quantenpunkte 3a benötigt. Damit kann die räumliche Dimension des Bauelements gering gehalten werden und es können Kosten gesenkt werden. Zudem sind die Quantenpunkte 3a durch das anorganische Matrixmaterial vor Feuchte und Sauerstoff geschützt. Somit kann einem frühzeitigen Ausfall des optoelektronischen Bauelements 1 vorgebeugt und die Lebensdauer des optoelektronischen Bauelements 1 verlängert werden. Zudem ist das Konversionselement 3 stabil gegen Strahlenbelastungen. Es trübt nicht oder nur geringfügig ein und vergilbt nicht oder nur geringfügig. Damit ist gewährleistet, dass die Lichtausbeute nicht oder wenig herabgesetzt wird und die Abstrahlcharakteristik des optoelektronischen Bauelements 1 nicht oder nur geringfügig verändert wird. Auch die mechanische Festigkeit des Konversionselements 3 kann trotz dieser Belastungen zumindest weitgehend erhalten bleiben. Über dem Konversionselement kann eine Schutzschicht (hier nicht gezeigt) aus beispielsweise Al₂O₃ mittels eines ALD-Verfahrens aufgebracht sein. Damit kann das Konversionselement 3 zusätzlich gegen Feuchte und Sauerstoff geschützt werden.
Zusätzlich kann zwischen der Schichtenfolge 2 und dem Konversionselement 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 das Konversionselement 3, ausgekoppelt wird.
Das optoelektronische Bauelement wird beispielsweise wie folgt hergestellt. Eine ethanolische Lösung von Zinkacetat wird mit LiOH versetzt und anschließend mit einer ethanolischen Lösung aus Quantenpunkten versetzt, die aus einem CdSe-Kern und einer ZnS Hülle bestehen. Es wird NaOH zugegeben wodurch das anorganische Matrixmaterial, also ZnO in kolloidaler Form entsteht. Das Gemisch wird auf eine bereitgestellte Schichtenfolge aufgebracht. Durch eine Temperurerhöhung auf beispielsweise 70 °C werden das Ethanol und Nebenprodukte entfernt. Anschließend erfolgt das Sintern bei einer Temperatur von etwa 200 °C.
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 leitend verbunden ist. Die Ausnehmung ist mit einem Verguss 4 ausgefüllt. Der Verguss 4 umfasst beispielsweise ein Epoxid.
Über der Ausnehmung des Gehäuses 8 und dem Gehäuse 8 ist ein Konversionselement 3 angeordnet. Das Konversionselement 3 ist in Form eines Plättchens ausgebildet und ist in dem Strahlengang der elektromagnetischen Primärstrahlung angeordnet, die von einer aktiven Schicht (hier nicht separat dargestellt) in der Schichtenfolge 2 emittiert wird.
Das Konversionselement 3 umfasst Quantenpunkte 3a und ein anorganisches Matrixmaterial, wobei die Quantenpunkte 3a in dem anorganischen Matrixmaterial beispielsweise homogen verteilt sind. Das anorganische Matrixmaterial besteht beispielsweise aus ZnS. Die Quantenpunkte 3a bestehen beispielsweise CuInSe₂ und einer Hülle aus ZnS. Insbesondere ist das anorganische Matrixmaterial eine Keramik und durch das Herstellungsverfahren ist das ZnS der Hülle der Quantenpunkte 3a Bestandteil der Keramik. Das ZnS kann aus einer ethanolischen Lösung aus Zinkthioacetat und LiOH hergestellt werden.
Zusätzlich kann zwischen dem Gehäuse und dem Konversionselement 3 und zwischen dem Verguss 4 und dem Konversionselement 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, einen transparenten Verguss 4 und das Konversionselement 3 ausgekoppelt wird.
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 dazu eingerichtet ist im Betrieb des Bauelements eine elektromagnetische Primärstrahlung zu emittieren, – zumindest ein Konversionselement (3), das im Strahlengang der elektromagnetischen Primärstrahlung angeordnet ist, wobei das zumindest eine Konversionselement (3) Quantenpunkte (3a) und ein anorganisches Matrixmaterial umfasst, wobei die Quantenpunkte (3a) in dem anorganischen Matrixmaterial verteilt sind und dazu eingerichtet sind im Betrieb des Bauelements zumindest teilweise die elektromagnetische Primärstrahlung in eine elektromagnetische Sekundärstrahlung zu konvertieren.
Bauelement nach Anspruch 1, wobei das anorganische Matrixmaterial ein Metalloxid, ein Metallsulfid, ein Metallphosphat und/oder ein Metallsilikat umfasst.
Bauelement nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das Metall des Metalloxids, des Metallsulfids und/oder des Metallphosphats aus einer Gruppe ausgewählt ist, die Zink, Titan, Zirkonium, Silicium, Germanium, Aluminium, Lithium, Kalium, Natrium, Calcium, Magnesium, Kupfer und Kombinationen daraus umfasst.
Optoelektronisches Bauelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Quantenpunkte (3a) durch chemische Bindungen an das anorganische Matrixmaterial gebunden sind.
Optoelektronisches Bauelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Konversionselement (3) als ein Plättchen, angeordnet über der Schichtenfolge (2) ausgebildet ist.
Optoelektronisches Bauelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Quantenpunkte (3a) einen Kern und eine Hülle aufweisen und der Kern aus einem II/VI- oder III/V-Halbleitermaterialien gebildet ist, der von einer Hülle umgeben ist, die ein anorganisches Material umfasst und wobei die Hülle zusammen mit dem anorganischen Matrixmaterial eine Keramik oder ein Glas ausbildet.
Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Bauelements (1) umfassend ein Konversionselement (3) mit den Verfahrensschritten A) Bereitstellen einer Schichtenfolge (2) mit einer aktiven Schicht, wobei die aktive Schicht dazu eingerichtet ist eine elektromagnetische Primärstrahlung zu emittieren, B) Bereitstellen von Quantenpunkten (3a), wobei die Quantenpunkte (3a) mit einer organischen Gruppe funktionalisiert sind und/oder die Quantenpunkte (3a) in einem ersten Lösungsmittel gelöst oder dispergiert sind, C) Bereitstellen eines Gemisches umfassend einen Precursor eines anorganischen Matrixmaterials und eines zweiten Lösungsmittels, D) Mischen der aus Verfahrensschritt C) erhaltenen Gemisches mit den Quantenpunkten (3a) aus Verfahrensschritt B), E) Trocknen des Gemisches, F) Sintern des Gemisches zur Bildung des Konversionselements (3).
Verfahren nach Anspruch 7, wobei das Gemisch in Verfahrensschritt C) und/oder D) eine Base umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 8, wobei das erste und/oder das zweite Lösungsmittel aus einer Gruppe ausgewählt ist, die Wasser, Methanol, Ethanol, n-Propanol, i-Propanol, n-Butanol und Kombinationen daraus umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei Verfahrensschritt E) bei einer Temperatur zwischen 20 °C und 100 °C durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, wobei die organische Gruppe aus einer Gruppe ausgewählt ist, die Alkoholate, Phosphonate und Sulfonate umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11, wobei der Precursor des anorganischen Matrixmaterials ein Metallsalz umfasst, wobei das Metall aus einer Gruppe ausgewählt ist, die Zink, Titan, Zirkonium, Silicium, Germanium, Aluminium, Lithium, Kalium, Natrium, Calcium, Magnesium und Kombinationen daraus umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 12, wobei der Precursor des anorganischen Matrixmaterials aus einer Gruppe ausgewählt ist die Acetate, Thioacetate, Thiolate, Alkoholate, Phosphonate und Hydroxide umfasst.
Verwendung eines optoelektronischen Bauelements (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 zur Hinterleuchtung von Displays.