DE102018128753A1

DE102018128753A1 - Verfahren zur herstellung eines konversionselements, konversionselement und strahlungsemittierendes bauelement

Info

Publication number: DE102018128753A1
Application number: DE102018128753.4A
Authority: DE
Inventors: Ivar Tångring; Nusret Sena Gueldal
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2018-11-15
Filing date: 2018-11-15
Publication date: 2020-05-20
Also published as: WO2020099319A1; JP2022509939A; US12062741B2; US20220013697A1; JP7143523B2

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Herstellung eines Konversionselements (10) mit den folgenden Schritten angegeben:
- Bereitstellen einer Konversionsschicht (1, 1') mit einer Matrix (3), in die Leuchtstoffpartikel (2, 2') eingebracht sind, wobei die Leuchtstoffpartikel (2, 2') ein Wirtsgitter mit Aktivatorionen aufweisen und in einer Anreicherungszone (4) angereichert sind,
- Bereitstellen einer Kompensationsschicht (6, 6') mit der Matrix (3), in die Kompensationspartikel (7, 7') eingebracht sind, die das Wirtsgitter aufweisen und in einer Anreicherungszone (4') angereichert sind, und
- Verbinden der Konversionsschicht (1, 1') und der Kompensationsschicht (6, 6'), so dass die Anreicherungszone (4) der Konversionsschicht und die Anreicherungszone (4') der Kompensationsschicht (6, 6') symmetrisch zueinander hinsichtlich einer Symmetrieebene (9) des Konversionselements (10) angeordnet werden.
Außerdem werden ein Konversionselement und ein Bauelement angegeben.

Description

Es werden ein Verfahren zur Herstellung eines Konversionselements, ein Konversionselement und ein strahlungsemittierendes Bauelement angegeben.
Es soll ein Konversionselement mit einer Matrix angeben werden, das eine geringe Biegung aufweist. Außerdem soll ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Konversionselements angegeben werden. Weiterhin soll ein verbessertes strahlungsemittierendes Bauelement angegeben werden.
Diese Aufgaben werden durch ein Verfahren mit den Schritten des Patentanspruchs 1, durch ein Konversionselement mit den Merkmalen des Patentanspruchs 7 und durch ein strahlungsemittierendes Bauelement mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 gelöst.
Vorteilhafte Ausführungsformen des Verfahrens, des Konversionselements und des strahlungsemittierenden Bauelements sind in den jeweils abhängigen Ansprüchen angegeben.
Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens zur Herstellung eines Konversionselements wird eine Konversionsschicht bereitgestellt. Die Konversionsschicht umfasst bevorzugt eine Matrix, in die Leuchtstoffpartikel eingebracht sind. Die Leuchtstoffpartikel wandeln elektromagnetische Strahlung eines ersten Wellenlängenbereichs in elektromagnetische Strahlung eines zweiten Wellenlängenbereichs um. Der erste Wellenlängenbereich ist hierbei bevorzugt unterschiedlich von dem zweiten Wellenlängenbereich.
Mit anderen Worten sind die Leuchtstoffpartikel konvertierend ausgebildet. Mit dem Begriff „konvertierend“ ist vorliegend gemeint, dass eingestrahlte elektromagnetische Strahlung eines bestimmten Wellenlängenbereichs in elektromagnetische Strahlung eines anderen, bevorzugt längerwelligen, Wellenlängenbereichs umgewandelt wird. In der Regel absorbiert ein konvertierendes Element elektromagnetische Strahlung eines eingestrahlten Wellenlängenbereiches, wandelt diese durch elektronische Vorgänge auf atomarer und/oder molekularer Ebene in elektromagnetische Strahlung eines anderen Wellenlängenbereiches um und sendet die umgewandelte elektromagnetische Strahlung wieder aus. Insbesondere wird reine Streuung oder reine Absorption vorliegend nicht als konvertierend verstanden.
Die Leuchtstoffpartikel weisen bevorzugt ein Wirtsgitter auf, das mit Aktivatorionen dotiert ist. Das Wirtsgitter ist bevorzugt keramisch und/oder kristallin ausgebildet. Die Aktivatorionen verleihen den Leuchtstoffpartikeln bevorzugt die konvertierenden Eigenschaften. Das Wirtsgitter verändert die elektronische Struktur des Aktivators derart, dass elektromagnetische Strahlung des ersten Wellenlängenbereichs absorbiert wird und einen elektronischen Übergang in den Leuchtstoffpartikeln anregt, der unter Aussenden von elektromagnetischer Strahlung des zweiten Wellenlängenbereichs wieder in den Grundzustand übergeht.
Gemäß einer Ausführungsform weisen die Leuchtstoffpartikel einen Durchmesser zwischen einschließlich 1 Mikrometer und einschließlich 30 Mikrometer auf, bevorzugt zwischen einschließlich 5 Mikrometer und einschließlich 25 Mikrometer.
Beispielsweise ist eines der folgenden Materialien für die Leuchtstoffpartikel geeignet: mit seltenen Erden dotierte Granate, mit seltenen Erden dotierte Nitride, mit seltenen Erden dotierte SiAlONe.
Gemäß einer Ausführungsform weist die Konversionsschicht eine Anreicherungszone an einer ersten Hauptfläche auf, in der die Leuchtstoffpartikel angereichert sind. Mit anderen Worten weisen die Leuchtstoffpartikel in der Anreicherungszone eine höhere Konzentration auf, als an einer zweiten Hauptfläche der Konversionsschicht, die der ersten Hauptfläche gegenüberliegt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird eine Kompensationsschicht bereitgestellt. Die Kompensationsschicht umfasst die Matrix, in die Kompensationspartikel eingebracht sind. Die Kompensationspartikel sind bevorzugt aus dem gleichen Wirtsgitter gebildet, das auch die Leuchtstoffpartikel umfassen. Allerdings weisen die Kompensationspartikel bevorzugt keine Aktivatorionen auf. Insbesondere sind die Kompensationspartikel bevorzugt nicht konvertierend ausgebildet. Die Kompensationspartikel sind bevorzugt transmittierend für elektromagnetische Strahlung des ersten Wellenlängenbereichs ausgebildet. Bevorzugt transmittieren die Kompensationspartikel mindestens 80 %, besonders bevorzugt mindestens 90 % der elektromagnetischen Strahlung des ersten Wellenlängenbereichs. Bevorzugt weisen die Kompensationspartikel die gleichen mechanischen Eigenschaften auf wie die Leuchtstoffpartikel. Bevorzugt sind die Kompensationspartikel gleich ausgebildet wie die Leuchtstoffpartikel bis auf die Aktivatorionen und die daraus resultierenden konvertierenden Eigenschaften. Bevorzugt sind die Kompensationspartikel in einer Anreicherungszone an einer ersten Hauptfläche der Kompensationsschicht angereichert.
Bevorzugt weisen die Leuchtstoffpartikel und/oder die Kompensationspartikel eine Konzentration in der Anreicherungszone auf, die mindestens 20 Vol.-%, besonders bevorzugt mindestens 50 Vol.-% beträgt. Beispielsweise weist die Anreicherungszone eine Dicke zwischen einschließlich 10 Mikrometer und einschließlich 60 Mikrometer auf.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens werden die Konversionsschicht und die Kompensationsschicht miteinander verbunden, bevorzugt stoffschlüssig. Hierbei können die Konversionsschicht und die Kompensationsschicht in direktem Kontakt miteinander stehen. Bevorzugt ist die Verbindung der Konversionsschicht und der Kompensationsschicht frei von einer Fügeschicht.
Bevorzugt werden die Konversionsschicht und die Kompensationsschicht derart angeordnet, dass die Anreicherungszone der Konversionsschicht und die Anreicherungszone der Kompensationsschicht symmetrisch zueinander hinsichtlich einer Symmetrieebene des Konversionselements angeordnet werden. Die Symmetrieebene des Konversionselements verläuft hierbei bevorzugt parallel zu einer Haupterstreckungsebene des Konversionselements.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens werden eine zweite Hauptfläche der Konversionsschicht, die der ersten Hauptfläche der Konversionsschicht gegenüberliegt, und eine zweite Hauptfläche der Kompensationsschicht, die der ersten Hauptfläche der Kompensationsschicht gegenüberliegt, zwischen der ersten Hauptfläche der Konversionsschicht und der ersten Hauptfläche der Kompensationsschicht angeordnet.
Bevorzugt ist die Matrix transmittierend für elektromagnetische Strahlung des ersten und/oder des zweiten Wellenlängenbereichs. Bevorzugt transmittiert die Matrix mindestens 80 %, besonders bevorzugt mindestens 90 % der elektromagnetischen Strahlung des ersten und/oder des zweiten Wellenlängenbereichs.
Die Matrix kann beispielsweise ein anorganisches Material aufweisen oder aus einem anorganischen Material bestehen. Bevorzugt ist die anorganische Matrix aus Glas gebildet oder weist ein Glas auf. Weiterhin ist es auch möglich, dass die Matrix ein organisches Material aufweist oder aus einem organischen Material besteht. Bevorzugt ist die organische Matrix aus einem Polysiloxan gebildet oder weist ein Polysiloxan auf.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens umfasst das Bereitstellen der Konversionsschicht die im Folgenden beschriebenen Schritte. Zunächst wird ein flüssiges Konversionsmaterial bereitgestellt, das die Matrix in flüssiger Form und die Leuchtstoffpartikel umfasst. Das flüssige Konversionsmaterial kann außerdem ein Lösungsmittel, wie Wasser oder Ethanol aufweisen. Aus dem flüssigen Konversionsmaterial wird eine Schicht erzeugt, in der Regel auf einem Träger, beispielsweise durch Drucken, Rakeln oder Folienziehen.
Dann werden die Leuchtstoffpartikel in der Matrix in flüssiger Form sedimentiert, so dass sich Leuchtstoffpartikel in der Anreicherungszone an einer ersten Hauptfläche der Schicht anreichern.
Bei der Sedimentation wird die flüssige Matrix mit den Leuchtstoffpartikeln auf einen Träger aufgebracht. Anschließend setzen sich die Leuchtstoffpartikel in Form einer Schicht aufgrund der Schwerkraft auf dem Träger ab. Das Absetzen der Leuchtstoffpartikel kann hierbei auch durch Zentrifugieren beschleunigt werden. Auch die Verwendung eines verdünnten Matrixmaterials beschleunigt den Sedimentationsprozess in der Regel.
In einem nächsten Schritt wird die Matrix der Schicht aus dem flüssigen Konversionsmaterial angehärtet und/oder ausgehärtet, beispielsweise durch Trocknen, so dass die Konversionsschicht mit der ersten Hauptfläche entsteht, an der die Leuchtstoffpartikel in der Anreicherungszone angereichert sind. Außerdem umfasst die Konversionsschicht eine Verarmungszone, die in der Regel frei von Leuchtstoffpartikeln und an der zweiten Hauptfläche der Konversionsschicht angeordnet ist.
Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens umfasst das Bereitstellen der Kompensationsschicht die im Folgenden beschriebenen Schritte. Zunächst wird wiederum ein flüssiges Kompensationsmaterial bereitgestellt, das die Matrix in flüssiger Form und die Kompensationspartikel umfasst. Das flüssige Kompensationsmaterial kann außerdem ein Lösungsmittel, wie Wasser oder Ethanol aufweisen Dann wird eine Schicht aus dem flüssigen Kompensationsmaterial erzeugt, beispielsweise durch Drucken oder Folienziehen. In einem nächsten Schritt werden die Kompensationspartikel in der flüssigen Matrix sedimentiert, so dass sich Kompensationspartikel an einer ersten Hauptfläche der Schicht aus dem flüssigen Kompensationsmaterial in einer Anreicherungszone anreichern. Dann wird die Matrix angehärtet und/oder ausgehärtet, so dass eine Kompensationsschicht mit der ersten Hauptfläche entsteht, an der die Kompensationspartikel in der Anreicherungszone angereichert sind. Außerdem umfasst die Kompensationsschicht eine Verarmungszone, die in der Regel frei von Kompensationspartikeln und an der zweiten Hauptfläche der Kompensationsschicht angeordnet ist.
Zum Anhärten der anorganischen Matrix kann zunächst ein Trocknungsschritt durchgeführt werden, der zu einer mechanisch stabilen Kompensationsschicht beziehungsweise Konversionsschicht führt. Handelt es sich bei der Matrix um eine anorganische Matrix, beispielsweise aus Glas, so kann die anorganische Matrix nach dem Anhärten bei deutlich höheren Temperaturen gesintert werden, um eine weitere mechanische Stabilisierung der Kompensationsschicht und/oder der Konversionsschicht zu erzielen. Beispielsweise sind Temperaturen zwischen einschließlich 500 °C und einschließlich 1000 °C zur Sinterung einer Glasmatrix geeignet. Beim Sintern können die Schichten des Konversionselements miteinander stoffschlüssig und mechanisch stabil verbunden werden.
Handelt es sich bei der Matrix um eine organische Matrix, so kann diese beispielsweise durch teilweises Vernetzen oder Trocknen angehärtet und durch vollständiges Vernetzen ausgehärtet werden. Zum vollständigen Aushärten können beispielsweise Temperaturen zwischen einschließlich 150 °C und einschließlich 200 °C eingesetzt werden. Beim vollständigen Aushärten können die Schichten des Konversionselements miteinander stoffschlüssig und mechanisch stabil verbunden werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird zwischen der Konversionsschicht und der Kompensationsschicht eine Streuschicht angeordnet. Die Streuschicht streut elektromagnetische Strahlung des ersten und/oder des zweiten Wellenlängenbereichs. Bevorzugt ist die Streuschicht frei von konvertierenden Eigenschaften. Bevorzugt weist die Streuschicht die Matrix auf. In die Matrix sind bevorzugt Streupartikel eingebracht. Beispielsweise umfassen die Streupartikel eines der folgenden Materialien oder bestehen aus einem der folgenden Materialien: Al₂O₃, ZrO₂, TiO₂. Die Streuschicht führt mit Vorteil zu einer besseren Vermischung von konvertiertem und unkonvertiertem Licht, das durch das Konversionselement hindurchtritt. Außerdem ist es möglich, mit Hilfe der Streuschicht die Abstrahlcharakteristik des Konversionselements auf gewünschte Art und Weise einzustellen.
Die Streupartikel weisen bevorzugt einen Durchmesser auf, der höchstens 1000 Nanometer beträgt, besonders bevorzugt höchstens 500 Mikrometer. Bevorzugt weisen die Streupartikel einen Durchmesser von mindestens 50 Nanometer auf. Die Streupartikel sind bevorzugt so klein, dass bei der Erzeugung der Streuschicht nur eine derart geringe Sedimentation auftritt, dass keine nennenswerte Anreicherungszone an einer der Hauptflächen der späteren Streuschicht entsteht.
Weiterhin ist es auch möglich, dass eine transmittierende Schicht zwischen der Konversionsschicht und der Kompensationsschicht angeordnet wird. Die transmittierende Schicht transmittiert bevorzugt mindestens 80 %, besonders bevorzugt mindestens 90 % der elektromagnetischen Strahlung des ersten und/oder des zweiten Wellenlängenbereichs. Die transmittierende Schicht ist hierbei bevorzugt frei von Partikeln wie Streupartikeln, Kompensationspartikeln oder Leuchtstoffpartikeln. Die transmittierende Schicht weist bevorzugt die Matrix auf oder ist bevorzugt aus der Matrix gebildet. Die transmittierende Schicht kann mit Vorteil dazu verwendet werden, das Konversionselement dicker auszubilden, so dass es einfacher gehandhabt werden kann.
Mit dem hier beschriebenen Verfahren kann ein Konversionselement erzeugt werden. Merkmale und Ausführungsformen, die vorliegend in Verbindung mit dem Verfahren beschrieben sind, können auch bei dem Konversionselement ausgebildet sein und umgekehrt.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform umfasst ein Konversionselement eine Konversionsschicht mit einer Matrix, in die Leuchtstoffpartikel eingebracht sind. Die Leuchtstoffpartikel wandeln elektromagnetische Strahlung eines ersten Wellenlängenbereichs in elektromagnetische Strahlung eines zweiten Wellenlängenbereichs um. Die Leuchtstoffpartikel weisen hierbei bevorzugt ein Wirtsgitter mit Aktivatorionen auf. Das Wirtsgitter ist bevorzugt keramisch und/oder kristallin ausgebildet. Außerdem sind die Leuchtstoffpartikel bevorzugt in einer Anreicherungszone an einer ersten Hauptfläche der Konversionsschicht angereichert. Das Konversionselement umfasst bei dieser bevorzugten Ausführungsform eine Kompensationsschicht mit der Matrix, in die Kompensationspartikel eingebracht sind. Die Kompensationspartikel transmittieren elektromagnetische Strahlung des ersten Wellenlängenbereichs bevorzugt und weisen das Wirtsgitter auf. Außerdem sind die Kompensationspartikel bevorzugt in einer Anreicherungszone an einer ersten Hauptfläche der Kompensationsschicht angereichert. Schließlich sind die Anreicherungszone der Konversionsschicht und die Anreicherungszone der Kompensationsschicht bevorzugt symmetrisch zueinander hinsichtlich einer Symmetrieebene des Konversionselements angeordnet. Bevorzugt weisen die Anreicherungszonen jeweils zu den Außenflächen des Konversionselements.
Bevorzugt kompensiert die Kompensationsschicht eine Spannung der Konversionsschicht, besonders bevorzugt vollständig. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Konversionselements kompensiert die Kompensationsschicht die Spannung der Konversionsschicht derart, dass das Konversionselement frei ist von einer konkaven oder konvexen Biegung entlang einer Haupterstreckungsebene des Konversionselements. Bevorzugt ist die Biegung des Konversionselementes nicht größer als 5 Mikrometer, besonders bevorzugt nicht größer als 1 Mikrometer.
Die Konversionsschicht und/oder die Kompensationsschicht weist bevorzugt eine Dicke zwischen einschließlich 20 Mikrometer und einschließlich 100 Mikrometer auf.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind die Konzentration der Leuchtstoffpartikel und die Konzentration der Kompensationspartikel in der Matrix jeweils gleich. Besonders bevorzugt weisen die Leuchtstoffpartikel und die Kompensationspartikel die gleiche Größenverteilung auf. Beispielsweise weisen die Leuchtstoffpartikel und/oder die Kompensationspartikel einen Wert des Medians d₅₀ zwischen einschließlich 5 Mikrometer und einschließlich 30 Mikrometer, bevorzugt zwischen einschließlich 10 Mikrometer und einschließlich 20 Mikrometer auf.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Konversionselementes weist das Konversionselement mehrere Kompensationsschichten auf. Jede Kompensationsschicht umfasst hierbei eine Anreicherungszone an Kompensationspartikeln wie oben beschrieben. Die Anreicherungszonen der Kompensationsschichten sämtlicher Schichten des Konversionselements sind hierbei symmetrisch zueinander hinsichtlich der Symmetrieebene des Konversionselements angeordnet. Auch mit einer Vielzahl an Kompensationsschichten können Konversionselemente erzeugt werden, die eine größere Dicke aufweisen und so mechanisch leichter gehandhabt werden können.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Konversionselement mindestens eine weitere Konversionsschicht. Die weitere Konversionsschicht umfasst hierbei besonders bevorzugt andere Leuchtstoffpartikel als die bereits beschriebene Konversionsschicht, sodass die weitere Konversionsschicht andere konvertierende Eigenschaften hat als die bereits beschriebene Konversionsschicht. Beispielsweise weist das Konversionselement eine Konversionsschicht auf, deren Leuchtstoffpartikel blaues Licht in rotes Licht umwandeln, während eine weitere Konversionsschicht blaues Licht in gelbes und/oder in grünes Licht umwandelt.
Bevorzugt weist das Konversionselement zu jeder weiteren Konversionsschicht eine weitere Kompensationsschicht mit einer Anreicherungszone auf. Die weitere Kompensationsschicht weist hierbei Kompensationspartikel auf, die aus einem Wirtsgitter gebildet sind oder ein Wirtsgitter aufweisen, das gleich ist zu dem Wirtsgitter der Leuchtstoffpartikel der Konversionsschicht, die von der jeweiligen Kompensationsschicht kompensiert wird. Besonders bevorzugt sind die Anreicherungszonen der weiteren Konversionsschichten und die Anreicherungszonen der weiteren Kompensationsschichten symmetrisch zueinander hinsichtlich der Symmetrieebene des Konversionselements angeordnet.
Das Konversionselement weist bevorzugt eine Dicke von mindestens 40 Mikrometer auf, besonders bevorzugt von mindestens 100 Mikrometer.
Die Gesamtanzahl an Kompensationsschichten und Konversionsschichten des Konversionselements ist besonders bevorzugt gerade.
Das hier beschriebene Konversionselement ist dazu geeignet, in einem strahlungsemittierenden Bauelement verwendet zu werden. Sämtliche Ausführungsformen, Merkmale und Weiterbildungen des Konversionselements können auch bei dem strahlungsemittierenden Bauelement ausgebildet sein und umgekehrt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Bauelement einen strahlungsemittierenden Halbleiterchip. Der strahlungsemittierende Halbleiterchip sendet im Betrieb elektromagnetische Strahlung eines ersten Wellenlängenbereichs von einer Strahlungsaustrittsfläche aus. Besonders bevorzugt sendet der Halbleiterchip blaues Licht und/oder ultraviolettes Licht aus.
Das Konversionselement kann aufgrund seiner geringen Biegung besonders gut mechanisch stabil auf der Strahlungsaustrittsfläche des Halbleiterchips mit Hilfe einer besonders dünnen und homogenen Klebstoffschicht befestigt werden. So können Bauelemente mit einer größeren Leistung und einer längeren Lebenszeit erzielt werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist ein bereits beschriebenes Konversionselement von dem Bauelement umfasst. Das Konversionselement wandelt besonders bevorzugt elektromagnetische Strahlung des ersten Wellenlängenbereichs zumindest teilweise in elektromagnetische Strahlung eines zweiten Wellenlängenbereichs um. Beispielsweise wandelt das Konversionselement blaue und/oder ultraviolette Strahlung in gelbes Licht und/oder grünes Licht und/oder rotes Licht um. Das Konversionselement ist besonders bevorzugt auf die Strahlungsaustrittsfläche des Halbleiterchips aufgebracht, beispielsweise mit Hilfe einer Fügeschicht.
Das hier beschriebene Verfahren beruht insbesondere auf der im Folgenden beschriebenen Idee. Insbesondere bei Verwendung einer Glasmatrix sedimentieren die Leuchtstoffpartikel in der Regel bei der Herstellung der Konversionsschicht, solange die Glasmatrix in einem flüssigen Zustand ist. Hierbei bildet sich in der Regel eine Anreicherungszone an der ersten Hauptfläche der Konversionsschicht aus. Wird die Konversionsschicht mit der Anreicherungszone auf die Strahlungsaustrittsfläche des strahlungsemittierenden Halbleiterchips aufgebracht, so kann Wärme effektiv von dem Konversionselement abgeführt werden.
Allerdings verändert die Anreicherungszone den Schwerpunkt der Konversionsschicht. Zudem weisen die Anreicherungszone und die Verarmungszone unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten auf. Dies führt zu mechanischen Spannungen und einer Biegung innerhalb der fertig gesinterten, abgekühlten Konversionsschicht, so dass die Konversionsschicht nur schlecht auf einen Halbleiterchip aufgebracht werden kann. Vorliegend ist daher in dem Konversionselement eine Kompensationsschicht mit einer Anreicherungszone vorgesehen, die möglichst ähnliche mechanische und thermische Eigenschaften aufweist wie die Anreicherungszone der Konversionsschicht.
Hierzu werden Kompensationspartikel verwendet, die möglichst ähnliche mechanische Eigenschaften wie die Leuchtstoffpartikel aufweisen, jedoch nicht konvertierend ausgebildet sind. Die Kompensationspartikel sind bevorzugt aus dem Wirtsgitter der Leuchtstoffpartikel gebildet, das jedoch frei ist von Aktivatorionen. Um die Biegung der Konversionsschicht zu kompensieren, werden die Kompensationsschicht und die Konversionsschicht bevorzugt so zueinander angeordnet, dass die Anreicherungszonen symmetrisch zu einer Symmetrieebene des Konversionselements positioniert sind.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Ausführungsbeispielen.
Anhand der schematischen Schnittdarstellungen der 1 bis 3, der 5 bis 6 sowie der 9 bis 12 wird jeweils ein Verfahren gemäß jeweils einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.
Die schematischen Schnittdarstellungen der 4, 7, 8, und 13 zeigen ein Konversionselement gemäß jeweils einem Ausführungsbeispiel.
14 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines strahlungsemittierenden Bauelements gemäß einem Ausführungsbeispiel.
Gleiche, gleichartige oder gleich wirkende Elemente sind in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen. Die Figuren und die Größenverhältnisse der in den Figuren dargestellten Elemente untereinander sind nicht als maßstäblich zu betrachten. Vielmehr können einzelne Elemente, insbesondere Schichtdicken, übertrieben groß dargestellt sein.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß dem Verfahren der 1 bis 3 wird zunächst eine Konversionsschicht 1 bereitgestellt (1). Zur Herstellung der Konversionsschicht 1 werden in einem ersten Schritt Leuchtstoffpartikel 2, die blaues Licht in gelbes und/oder grünes Licht umwandeln, in eine Matrix 3, beispielsweise eine Glasmatrix, eingebracht. Hierbei liegt die Matrix 3 in flüssiger Form vor. Die Leuchtstoffpartikel 2 können einen Granatleuchtstoff, beispielsweise mit der Formel Lu₃(Al,Ga)₅O₁₂:Ce³⁺, oder ein α-SiAlON aufweisen. Die flüssige Matrix 3 mit den Leuchtstoffpartikeln 2 wird auf einen Träger aufgebracht und die Leuchtstoffpartikel 2 in der flüssigen Matrix sedimentiert (nicht dargestellt). Nach der Sedimentation wird die Matrix 3 getrocknet, sodass eine Konversionsschicht 1 entsteht.
Aufgrund des Sedimentationsprozesses reichern sich die Leuchtstoffpartikel 2 in einer Anreicherungszone 4 an einer ersten Hauptfläche der Konversionsschicht 1 an. Außerdem umfasst die Konversionsschicht 1 eine Verarmungszone 5, die zu einer zweiten Hauptfläche der Konversionsschicht 1 weist, die der ersten Hauptschicht der Konversionsschicht 1 gegenüberliegt.
Die Leuchtstoffpartikel 2 weisen ein Wirtsgitter auf, in das Aktivatorionen eingebracht sind, die den Leuchtstoffpartikeln 2 die konvertierenden Eigenschaften verleihen. Bei Leuchtstoffpartikeln 2 der Formel Lu₃(Al,Ga)₅O₁₂:Ce³⁺ gibt die Formel Lu₃(Al,Ga)₅O₁₂ das Material des Wirtsgitters an und Ce³⁺ die Aktivatorionen an.
In einem nächsten Schritt wird eine Kompensationsschicht 6 bereitgestellt (2). Zur Herstellung der Kompensationsschicht 6 werden die gleichen Schritte durchgeführt wie zur Herstellung der Konversionsschicht 1. Allerdings werden anstelle der Leuchtstoffpartikel 2, die ein Wirtsgitter mit Aktivatorionen aufweisen, Kompensationspartikel 7 verwendet, die das gleiche Wirtsgitter wie die Leuchtstoffpartikel 2 aufweisen, jedoch frei sind von Aktivatorionen.
Die Kompensationspartikel 7 der Kompensationsschicht 6 transmittieren elektromagnetische Strahlung des ersten Wellenlängenbereichs. Auch die Kompensationspartikel 6 sind in einer Anreicherungszone 4' an einer ersten Hauptfläche der Kompensationsschicht 6 angereichert. Außerdem umfasst die Kompensationsschicht 6 eine Verarmungszone 5', die an einer zweiten Hauptfläche der Kompensationsschicht angeordnet und zumindest teilweise frei von Kompensationspartikeln 7 ist.
In einem nächsten Schritt wird eine Streuschicht 8 erzeugt (3). Die Streuschicht 8 umfasst die Matrix, in die Streupartikel eingebracht sind.
Dann werden die Konversionsschicht 1 und die Kompensationsschicht 6 so zu einem Konversionselement 10 miteinander verbunden, dass die Anreicherungszone 4 der Konversionsschicht 1 und die Anreicherungszone 4' der Kompensationsschicht 7 symmetrisch zueinander hinsichtlich einer Symmetrieebene 9 des Konversionselements 10 angeordnet sind. Die Symmetrieebene 9 verläuft hierbei parallel zu einer Haupterstreckungsebene des Konversionselements 10. Zwischen der Kompensationsschicht 6 und der Konversionsschicht 1 ist die Streuschicht 8 positioniert. Die Kompensationsschicht 6, die Konversionsschicht 1 und die Streuschicht 8 können beispielsweise durch Sintern stoffschlüssig miteinander verbunden werden. Alternativ zu der Streuschicht 8 kann auch eine transmittierende Schicht in dem Konversionselement 10 eingesetzt sein.
Das Konversionselement 10 gemäß der 4 kann beispielsweise mit dem Verfahren gemäß den 1 bis 3 erzeugt werden. Das Konversionselement 10 gemäß der 4 weist eine Konversionsschicht 1 auf, die blaues Licht in grüngelbes Licht umwandelt. Hierzu sind beispielsweise Leuchtstoffpartikel aus einem Granatleuchtstoff geeignet. Das Konversionselement 10 kann derart ausgebildet sein, dass primäre blaue Strahlung teilweise durch das Konversionselement 10 hindurchtritt und sich mit konvertierter grüngelber Strahlung zu kaltweißem Licht mischt. Die Streupartikel weisen bei dieser Ausführungsform bevorzugt Al₂O₃ und einen Durchmesser von ungefähr 500 Nanometer auf. Solche Streupartikel streuen Licht des ersten und/oder zweiten Wellenlängenbereichs aufgrund des Brechungsindexunterschieds zur Matrix und homogenisieren mit Vorteil die Abstrahlcharakteristik.
Das Konversionselement 10 gemäß der 4 kann alternativ dazu ausgebildet sein, blaues Licht eines Halbleiterchips 11 möglichst vollständig in grüngelbes Licht umzuwandeln. Die Streuschicht 8 weist hierbei bevorzugt Streupartikel mit einem Durchmesser zwischen einschließlich 50 Nanometer und einschließlich 500 Nanometer aus einem der folgenden Materialien auf: Al₂O₃, ZrO₂, TiO₂ auf. Die Streuschicht 8 kann mit Vorteil zur möglichst vollständigen Umwandlung eingestrahlten blauen Lichts durch das Konversionselement 10 beitragen, indem sie unkonvertiertes Licht aufgrund von Rayleigh-Streuung in die Konversionsschicht 1 zurückstreut.
Bei dem Verfahren gemäß dem Ausführungsbeispiel der 5 bis 6 wird im Unterschied zu dem Verfahren der 1 bis 3 die Kompensationsschicht 6 dreimal erzeugt und mit der bereitgestellten Konversionsschicht 1 zu einem Konversionselement 10 verbunden, etwa durch Sintern.
Die Konversionselemente 10 gemäß den Ausführungsbeispielen der 7 und 8 können jeweils mit dem Verfahren gemäß den 5 bis 6 erzeugt werden. Das Konversionselement 10 gemäß der 8 weist im Unterschied zu dem Konversionselement 10 der 4 drei Kompensationsschichten 6 auf. Die Anreicherungszonen 4, 4' der Kompensationsschichten 6 und der Konversionsschicht 1 sind hierbei symmetrisch zu einer Symmetrieebene 9 des Konversionselements 10 angeordnet. Die Anreicherungszone 4, 4' der Kompensationsschichten 6 und der Konversionsschicht 1 weisen vorliegend jeweils zu einer Außenfläche des Konversionselements 10.
Im Unterschied hierzu weisen zwei innere Kompensationsschichten 6 des Konversionselements 10 gemäß dem Ausführungsbeispiel der 8, die zwischen einer äußeren Kompensationsschicht 6 und einer Konversionsschicht 1 angeordnet sind, zu einer Symmetrieebene 9 des Konversionselements 10.
Bei dem Verfahren gemäß dem Ausführungsbeispiel der 9 bis 12 wird zunächst eine Konversionsschicht 1 erzeugt ( 10), wie bereits anhand der 1 beschrieben. Passend zu der Konversionsschicht 1 wird eine Kompensationsschicht 6 erzeugt (11), wie bereits anhand 2 beschrieben.
Darüber hinaus wird eine weitere Konversionsschicht 1' erzeugt (9), die im Unterschied zu der Konversionsschicht 1 gemäß der 10 Leuchtstoffpartikel 2' aufweist, die blaues Licht in rotes Licht umwandeln. Die Leuchtstoffpartikel 2' weisen beispielsweise CaAlSiN:Eu²⁺ auf oder sind aus CaAlSiN:Eu²⁺ gebildet. Passend zu der weiteren Konversionsschicht 1 wird eine weitere Kompensationsschicht 6' erzeugt (12), die Kompensationspartikel 7' aufweist, die lediglich aus dem Wirtsgitter CaAlSiN ohne Aktivatorionen Eu²⁺ gebildet sind.
In einem nächsten Schritt werden die Kompensationsschichten 6, 6' und Konversionsschichten 1, 1' zu einem Konversionselement 10 verbunden, beispielsweise durch Sintern (13). Die Anreicherungszonen 4 der Konversionsschichten 1, 1' und die Anreicherungszonen 4' der Kompensationsschichten 6, 6' sind hierbei symmetrisch zueinander hinsichtlich einer Symmetrieebene 9 des Konversionselements 10 angeordnet.
Das Konversionselement 10 gemäß der 13 ist dazu ausgebildet, eingestrahltes blaues Licht, beispielsweise eines Halbleiterchips 11, teilweise in gelbgrünes und teilweise in rotes Licht umzuwandeln, während blaues Licht teilweise von dem Konversionselement 10 transmittiert wird. Auf diese Art und Weise kann mit dem Konversionselement 10 aus blauer Strahlung eines Halbleiterchips 11 weißes oder warmweißes Licht erzeugt werden. Durch den Einsatz weiterer Konversionsschichten 1 in dem Konversionselement 10 ist es möglich, einen Farbwiedergabeindex und eine korrelierte Farbtemperatur des weißen Lichts auf gewünschte Art und Weise anzupassen.
Das optoelektronische Bauelement gemäß dem Ausführungsbeispiel der 14 weist einen strahlungsemittierenden Halbleiterchip 11 auf, der elektromagnetische Strahlung eines ersten Wellenlängenbereichs, vorliegend blaues Licht, von einer Strahlungsaustrittsfläche aussendet. Auf der Strahlungsaustrittsfläche ist ein Konversionselement 10 aufgebracht, wie es beispielsweise anhand der 4, 7, 8 und 13 bereits beschrieben wurde. Das Konversionselement 10 wandelt elektromagnetische Strahlung des ersten Wellenlängenbereichs in elektromagnetische Strahlung mindestens eines zweiten Wellenlängenbereichs um.
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele auf diese beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.
Bezugszeichenliste

1, 1': Konversionsschicht
2, 2': Leuchtstoffpartikel
3: Matrix
4, 4': Anreicherungszone
5, 5': Verarmungszone
6, 6': Kompensationsschicht
7, 7': Kompensationspartikel
8: Streuschicht
9: Symmetrieebene
10: Konversionselement
11: Halbleiterchip

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Konversionselements (10) mit den folgenden Schritten: - Bereitstellen einer Konversionsschicht (1, 1') umfassend eine Matrix (3), in die Leuchtstoffpartikel (2, 2') eingebracht sind, die elektromagnetische Strahlung eines ersten Wellenlängenbereichs in elektromagnetische Strahlung eines zweiten Wellenlängenbereichs umwandeln, wobei die Leuchtstoffpartikel (2, 2') ein Wirtsgitter mit Aktivatorionen aufweisen und in einer Anreicherungszone (4) an einer ersten Hauptfläche der Konversionsschicht (1, 1') angereichert sind, - Bereitstellen einer Kompensationsschicht (6, 6') umfassend die Matrix (3), in die Kompensationspartikel (7, 7') eingebracht sind, die elektromagnetische Strahlung des ersten Wellenlängenbereichs transmittieren und das Wirtsgitter aufweisen und in einer Anreicherungszone (4') an einer ersten Hauptfläche der Kompensationsschicht (6, 6') angereichert sind, und - Verbinden der Konversionsschicht (1, 1') und der Kompensationsschicht (6, 6'), so dass die Anreicherungszone (4) der Konversionsschicht und die Anreicherungszone (4') der Kompensationsschicht (6, 6') symmetrisch zueinander hinsichtlich einer Symmetrieebene (9) des Konversionselements (10) angeordnet werden.
Verfahren nach dem vorherigen Anspruch, bei dem das Bereitstellen der Konversionsschicht (1, 1') die folgenden Schritte umfasst: - Bereitstellen eines flüssigen Konversionsmaterials umfassend die Matrix (3) und die Leuchtstoffpartikel (2, 2'), - Erzeugen einer Schicht aus dem flüssigen Konversionsmaterial, - Sedimentieren der Leuchtstoffpartikel (2, 2') in der Matrix (3), so dass sich Leuchtstoffpartikel (2, 2') in der Anreicherungszone (4) an einer ersten Hauptfläche der Schicht aus dem flüssigen Konversionsmaterial anreichern, - Anhärten und/oder Aushärten der Matrix (3), so dass die Konversionsschicht (1, 1') mit der ersten Hauptfläche entsteht, an der die Leuchtstoffpartikel (2, 2') in der Anreicherungszone (4) angereichert sind.
Verfahren nach einem der obigen Ansprüche, bei dem das Bereitstellen der Kompensationsschicht (6, 6') die folgenden Schritte umfasst: - Bereitstellen eines flüssigen Kompensationsmaterials umfassend die Matrix (3) und die Kompensationspartikel (7, 7'), - Erzeugen einer Schicht aus dem flüssigen Kompensationsmaterial, - Sedimentieren der Kompensationspartikel (7, 7') in der Matrix (3), so dass sich Kompensationspartikel (7, 7') an einer ersten Hauptfläche der Schicht aus dem flüssigen Kompensationsmaterial in einer Anreicherungszone (4') anreichern, - Anhärten und/oder Aushärten der Matrix (3), so dass eine Kompensationsschicht (6, 6') mit der ersten Hauptfläche entsteht, an der die Kompensationspartikel (7, 7') in der Anreicherungszone (4') angereichert sind.
Verfahren nach dem vorherigen Anspruch, bei dem die Konzentration der Leuchtstoffpartikel (2, 2') und die Konzentration der Kompensationspartikel (7, 7') in der Matrix (3) jeweils gleich sind.
Verfahren nach einem der obigen Ansprüche, bei dem die Leuchtstoffpartikel (2, 2') und die Kompensationspartikel (7, 7') die gleiche Größenverteilung aufweisen.
Verfahren nach einem der obigen Ansprüche, bei dem zwischen der Konversionsschicht (1, 1') und der Kompensationsschicht (6, 6') eine Streuschicht (8) angeordnet wird.
Konversionselement (10) mit: - einer Konversionsschicht (1, 1') umfassend eine Matrix (3), in die Leuchtstoffpartikel (2, 2') eingebracht sind, die elektromagnetische Strahlung eines ersten Wellenlängenbereichs in elektromagnetische Strahlung eines zweiten Wellenlängenbereichs umwandeln, wobei die Leuchtstoffpartikel (2, 2') ein Wirtsgitter mit Aktivatorionen aufweisen und in einer Anreicherungszone (4) an einer ersten Hauptfläche der Konversionsschicht (1, 1') angereichert sind, und - einer Kompensationsschicht (6, 6') umfassend eine Matrix (3), in die Kompensationspartikel (7, 7') eingebracht sind, die elektromagnetische Strahlung des ersten Wellenlängenbereichs transmittieren und das Wirtsgitter aufweisen und in einer Anreicherungszone (4') an einer ersten Hauptfläche der Kompensationsschicht (6, 6') angereichert sind, wobei - die Anreicherungszone (4) der Konversionsschicht (1, 1') und die Anreicherungszone (4') der Kompensationsschicht (6, 6') symmetrisch zueinander hinsichtlich einer Symmetrieebene (9) des Konversionselements (10) angeordnet sind.
Konversionselement (10) nach dem vorherigen Anspruch, das mehrere Kompensationsschichten (6, 6') mit jeweils einer Anreicherungszone (4') umfasst, wobei die Anreicherungszonen (4) der Kompensationsschichten und Konversionsschicht (1, 1') symmetrisch zueinander hinsichtlich der Symmetrieebene des Konversionselements (10) angeordnet sind.
Konversionselement (10) nach einem der Ansprüche 7 bis 8, das weitere Konversionsschichten (1, 1') mit jeweils einer Anreicherungszone (4) umfasst, wobei das Konversionselement (10) zu jeder weiteren Konversionsschicht (1, 1') eine weitere Kompensationsschicht (4) mit einer Anreicherungszone (4') aufweist und die Anreicherungszonen (4) der weiteren Konversionsschichten (1, 1') und die Anreicherungszonen (4') der weiteren Kompensationsschichten (6, 6') symmetrisch zueinander hinsichtlich der Symmetrieebene (9) des Konversionselements (10) angeordnet sind.
Strahlungsemittierendes Bauelement mit: - einem strahlungsemittierenden Halbleiterchip (11), der elektromagnetische Strahlung eines ersten Wellenlängenbereichs von einer Strahlungsaustrittsfläche aussendet, und - einem Konversionselement (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, das elektromagnetische Strahlung des ersten Wellenlängenbereichs zumindest teilweise in elektromagnetische Strahlung eines zweiten Wellenlängenbereichs umwandelt.