DE102018204163A1

DE102018204163A1 - Konversionselement für LED-Anwendungen mit hoher Leistung und hoher Farbwiedergabe

Info

Publication number: DE102018204163A1
Application number: DE102018204163.6A
Authority: DE
Inventors: Hailing Cui; Dominik Eisert
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2018-03-19
Filing date: 2018-03-19
Publication date: 2019-09-19

Abstract

Ein Konversionselement (1) umfassend eine erste anorganische Schicht (2), die mindestens einen ersten Leuchtstoff (3) aufweist, der elektromagnetische Strahlung eines ersten Wellenlängenbereichs in elektromagnetische Strahlung eines zweiten Wellenlängenbereichs umwandelt, und eine zweite anorganische Schicht (4), die mindestens einen zweiten Leuchtstoff (5) aufweist, der elektromagnetische Strahlung des ersten und/oder zweiten Wellenlängenbereichs in elektromagnetische Strahlung eines dritten Wellenlängenbereichs umwandelt, wobei der erste Leuchtstoff (3) und der zweite Leuchtstoff (5) voneinander verschieden sind. Ferner weist das Konversionselement (1) mindestens eine optisch nicht aktive Schicht als Haftvermittler (Klebeschicht) (6) auf, die zumindest teilweise zwischen der ersten anorganischen Schicht (2) und der zweiten anorganischen Schicht (4) angeordnet ist.
Weiterhin werden ein optoelektronisches Halbleiterbauelement, ein Verfahren zur Herstellung mindestens eines Konversionselements und eine Verwendung eines Konversionselements angegeben.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Konversionselement, ein optoelektronisches Halbleiterbauelement mit einem Konversionselement, ein Verfahren zur Herstellung eines Konversionselements und eine Verwendung eines Konversionselements.
Keramische Konversionselemente sind beispielsweise in den Druckschriften DE 10 2011 010 118 A1 , DE 10 2011 113 962 A1 und DE 10 2011 116 229 A1 beschrieben. Die Druckschrift DE 100 65 381 A1 beschreibt beispielhaft ein geschichtetes Konversionselement auf Harzbasis. Weitere Konversionselemente werden z.B. in der TW 200845436A oder der DE 10 2012 109 650 A1 beschrieben.
Eine Aufgabe ist es, ein Konversionselement mit mindestens zwei verschiedenen Leuchtstoffen bereit zu stellen, das eine verbesserte Farbwiedergabe aufweist und bei hohen Leistungsdichten einsetzbar ist und insbesondere für eine Beleuchtungseinrichtung mit Projektionsfunktion eingesetzt werden kann. Weiterhin soll ein optoelektronisches Halbleiterbauelement mit einem Konversionselement, ein Verfahren zur Herstellung eines Konversionselements und eine Verwendung eines Konversionselements angegeben werden.
Eine Beleuchtungseinrichtung mit Projektionsfunktion mit einer verbesserten Farbwiedergabe im Sinne der vorliegenden Erfindung ist insbesondere bei der Bühnenbeleuchtung (z.B. einem Bühnenscheinwerfer) oder bei der Architekturbeleuchtung erwünscht. Eine Beleuchtungseinrichtung mit Projektionsfunktion mit den Konversionselementen der vorliegenden Erfindung ist allerdings auch bei verschiedenen Heimanwendungen oder im Automobilbereich denkbar.
Beispielweise können Konversionselemente der vorliegenden Erfindung in Beleuchtungstechnologien mit einem Farbwiedergabeindex CRI (colour rendering index) von ≥ 90 eingesetzt werden. Denkbar sind allerdings auch Einsatzgebiete bei Beleuchtungstechnologien mit einem Farbwiedergabeindex CRI ≤ 70, CRI 80, und CRI 95.
Der Farbwiedergabeindex wird dabei aus dem Emissionsspektrum durch Vergleich definierter Testfarben berechnet, das Verfahren ist im Technischen Report CIE 13.3-1995 der Internationalen Beleuchtungskommission CIE beschrieben.
Hohe Leistungsdichten werden im Sinne der vorliegenden Erfindung definiert als eine Strahlungsleistung von 1 Watt/mm² bei einer Bestromung von 1 A pro mm² auf einem Chip.
Diese Aufgaben werden durch ein Konversionselement mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, durch ein optoelektronisches Halbleiterbauelement mit den Merkmalen des Patentanspruchs 12 durch ein Verfahren mit den Schritten des Patentanspruchs 13 und durch eine Verwendung nach Anspruch 15, gelöst.
Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen des Konversionselements, des optoelektronischen Halbleiterbauelements, des Verfahrens zur Herstellung des Konversionselements und der Verwendung des Konversionselements sind jeweils in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Ein Konversionselement gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst eine erste anorganische Schicht, die mindestens einen ersten Leuchtstoff aufweist, der elektromagnetische Strahlung eines ersten Wellenlängenbereichs in elektromagnetische Strahlung eines zweiten Wellenlängenbereichs umwandelt, und eine zweite anorganische Schicht, die mindestens einen zweiten Leuchtstoff aufweist, der elektromagnetische Strahlung des ersten und/oder zweiten Wellenlängenbereichs in elektromagnetische Strahlung eines dritten Wellenlängenbereichs umwandelt. Der erste Leuchtstoff und der zweite Leuchtstoff sind voneinander verschieden und sind vorzugsweise, aber nicht ausschließlich ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus den sauerstoffhaltigen Granatleuchtsstoffen und den Nitridosilicatleuchtstoffen. Weiterhin umfasst das Konversionselement der vorliegenden Erfindung mindestens eine optisch nicht aktive Schicht als Haftvermittler („Klebeschicht“), die zumindest teilweise zwischen der ersten anorganischen Schicht und der zweiten anorganischen Schicht angeordnet ist.
Weiterhin sind auch der erste Wellenlängenbereich, der zweite Wellenlängenbereich und der dritte Wellenlängenbereich voneinander verschieden ausgebildet, wobei nicht ausgeschlossen ist, dass die Wellenlängenbereiche miteinander überlappen können.
Besonders bevorzugt sind eine Haupterstreckungsebene der ersten anorganischen Schicht, eine Haupterstreckungsebene der zweiten anorganischen Schicht und eine Haupterstreckungsebene der Klebeschicht parallel zu einer Hauptfläche des Konversionselements angeordnet. Mit anderen Worten bilden die erste anorganische Schicht, die zweite anorganische Schicht und die Klebeschicht eine Schichtenfolge aus, bei der eine Stapelrichtung senkrecht auf einer Hauptfläche des Konversionselementes steht.
Die erste anorganische Schicht kann vollständig aus einer lichtdurchlässigen Keramik gebildet sein, oder eine Keramik umfassen und somit eine erste keramische Schicht bilden.
Besonders vorteilhaft ist die erste anorganische Schicht so ausgebildet, dass sie Licht einer bestimmten Wellenlänge (z.B. blaues Licht) in gelbes und/oder grünes Licht umwandelt. Der Vorteil einer derartigen anorganischen Schicht liegt unter anderem darin, dass sie eine höhere Wärmeleitfähigkeit, im Vergleich zu einer Schicht die Licht einer bestimmten Wellenlänge in rotes Licht umwandelt, aufweist. So kann die Wärmeleitfähigkeit einer Schicht, die Licht einer bestimmten Wellenlänge (z.B. blaues Licht) in gelbes und/oder grünes Licht umwandelt bei ca. 10 W/mK liegen, während die Wärmeleitfähigkeit einer Schicht, die Licht einer bestimmten Wellenlänge in rotes Licht umwandelt bei ca. 2 W/mK liegen. So kann ein vorteilhafter Abtransport von Wärme, die z.B. durch eine lichtemittierende Schicht entsteht, gewährleistet werden und z.B. die Lebensdauer des Bauelements erhöht werden.
In einer Ausführungsform besteht die erste anorganische Schicht aus einem Leuchtstoff. Bei einem Leuchtstoff im Rahmen der vorliegenden Erfindung handelt es sich um einen Stoff, der Lumineszenz zeigt.
In einer weiteren Ausführungsform besteht die erste anorganische Schicht aus einem sauerstoffhaltigen Granatleuchtstoff. Dabei kann die erste anorganische Schicht beispielsweise ausgewählt sein aus Lu₃Al₅O₁₂:Ce³⁺, Lu₃(Al,Ga)₅O₁₂:Ce³⁺, (Lu,Y)₃(Al,Ga)₅O₁₂:Ce³⁺, Y₃(Al,Ga)₅O₁₂:Ce³⁺, (Y,Gd)₃Al₅O₁₂:Ce³⁺ und/oder Y₃Al₅O₁₂:Ce³⁺.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst die erste anorganische Schicht Y₃Al₅O₁₂, Al₂O₃ und/oder Glas.
Die erste anorganische Schicht weist beispielsweise eine Dicke zwischen einschließlich 40 µm und einschließlich 150 µm auf. Bevorzugt weist die erste anorganische Schicht eine Dicke zwischen einschließlich 60 µm und einschließlich 150 µm auf. Besonders bevorzugt weist die erste anorganische Schicht eine Dicke zwischen einschließlich 80 µm und einschließlich 150 µm auf.
In einer weiteren Ausführungsform ist der mindestens eine erste Leuchtstoff ein sauerstoffhaltiger Granatleuchtstoff. Bevorzugt ist der sauerstoffhaltige Granatleuchtstoff ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Lu₃Al₅O₁₂:Ce³⁺, Lu₃(Al,Ga)₅O₁₂:Ce³⁺, (Lu,Y)₃(Al,Ga)₅O₁₂:Ce³⁺, Y₃(Al,Ga)₅O₁₂:Ce³⁺, (Y,Gd)₃Al₅O₁₂:Ce³⁺, Y₃Al₅O₁₂:Ce³⁺ und Mischungen davon. Der Leuchtstoff kann dabei als keramisches Element, monokristallin, oder in körniger Form in einer Matrix aus Al₂O₃, Y₃Al₅O₁₂ und/oder Glas eingebettet sein. Die Matrix bildet in dieser Ausführungsform die anorganische Schicht.
Die zweite anorganische Schicht kann unabhängig von der ersten anorganischen Schicht vollständig aus einer lichtdurchlässigen Keramik gebildet sein, oder eine Keramik umfassen und somit eine zweite keramische Schicht bilden.
In einer Ausführungsform besteht die zweite anorganische Schicht aus einem Leuchtstoff. Bei einem Leuchtstoff im Rahmen der vorliegenden Erfindung handelt es sich um einen Stoff, der Lumineszenz zeigt.
In einer Ausführungsform besteht die zweite anorganische Schicht aus einem Nitridosilikatleuchtstoff. Beispielsweise kann die zweite keramische Schicht ausgewählt sein aus (Ca,Sr)AlSiN₃:Eu²⁺, (Sr,Ca)Al₂Si₂N₆:Eu²⁺, MgAlSiN₃:Eu²⁺, CaAlSiN₃:Eu²⁺, (Ba,Sr,Ca)₂Si₅N₈:Eu²⁺, SrLiAl₃N₄:Eu²⁺ (SLA), und/oder α-CaSiAlON:Eu²⁺ oder einer davon abgeleiteten Verbindung. In einer weiteren Ausführungsform umfasst die erste keramische Schicht Si₃N₄, Y₃Al₅O₁₂, Al₂O₃ und/oder Glas.
Die zweite anorganische Schicht weist beispielsweise eine Dicke zwischen einschließlich 30 µm und einschließlich 150 µm auf. Bevorzugt weist die zweite anorganische Schicht eine Dicke zwischen einschließlich 60 µm und einschließlich 150 µm auf. Besonders bevorzugt weist die zweite anorganische Schicht eine Dicke zwischen einschließlich 80 µm und einschließlich 150 µm auf. Die Dicke der zweiten anorganischen Schicht kann unabhängig von der Dicke der ersten anorganischen Schicht gewählt werden.
Bevorzugt ist der zweite Leuchtstoff chemisch verschieden zu dem ersten Leuchtstoff, das heißt er weist eine andere Zusammensetzung auf.
In einer weiteren Ausführungsform ist der mindestens eine zweite Leuchtstoff ein Nitridosilikatleuchtstoff. Bevorzugt ist der Nitridosilikatleuchtstoff ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus (Ca,Sr)AlSiN₃:Eu²⁺, (Sr,Ca)Al₂Si₂N₆:Eu²⁺, MgAlSiN₃:Eu²⁺, SrLiAl₃N₄:Eu²⁺ (SLA), CaAlSiN₃:Eu²⁺, (Ba,Sr,Ca)₂Si₅N₈:Eu²⁺ und/oder α-CaSiAlON:Eu²⁺ oder einer davon abgeleiteten Verbindung, oder Mischungen davon. Der Leuchtstoff kann dabei als Keramik, polykristallin oder monokristallin in einer Matrix aus Si₃N₄, Y₃Al₅O₁₂, Al₂O₃ und/oder Glas eingebettet sein. Die Matrix bildet in dieser Ausführungsform die anorganische Schicht.
Besonders bevorzugt ist die erste anorganische Schicht frei von dem zweiten Leuchtstoff und gegebenenfalls weiteren vorhandenen Leuchtstoffen. Ebenso ist die zweite anorganische Schicht besonders bevorzugt frei von dem ersten Leuchtstoff und frei von gegebenenfalls weiteren vorhandenen Leuchtstoffen. Hierbei ist es jedoch nicht ausgeschlossen, dass Verunreinigungen der anorganischen Schichten mit den Leuchtstoffen der jeweils anderen Schichten vorliegen können, beispielsweise aufgrund von Toleranzen beim Herstellungsprozess. Mit anderen Worten sind die verschiedenen Leuchtstoffe des Konversionselements besonders bevorzugt vollständig räumlich getrennt voneinander in verschiedenen Schichten angeordnet, soweit dies technisch machbar ist. Auf diese Art und Weise kann Reabsorption bereits konvertierter Strahlung durch andere Leuchtstoffe mit Vorteil zumindest verringert, wenn nicht sogar ausgeschlossen, werden.
In einer anderen Ausführungsform ist die erste anorganische Schicht bzw. der erste Leuchtstoff ein Nitridosilikatleuchtstoff und die zweite anorganische Schicht bzw. der zweite Leuchtstoff ein sauerstoffhaltiger Granatleuchtstoff.
Gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst das Konversionselement mindestens eine optisch nicht aktive Schicht als Haftvermittler („Klebeschicht“), die zumindest teilweise zwischen der ersten anorganischen Schicht und der zweiten anorganischen Schicht angeordnet ist.
Klebstoffe sind nach DIN 16920, 06/1981 nichtmetallische Stoffe, die Fügeteile durch Flächenverhaftung (Adhäsion) und innere Festigkeit (Kohäsion) verbinden. Die Klebstoffe können nach physikalischen, chemischen oder verarbeitungstechnischen Gesichtspunkten unterteilt werden.
Eine Klebeschicht, die im Rahmen der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird, weist insbesondere eine hohe Transparenz und eine Beständigkeit bei Bestrahlung (z.B. mit blauem Licht) und eine Beständigkeit bei Temperaturen von höher 150 °C auf. Des Weiteren sollte eine Klebeschicht einen geringen Wärmewiderstand, also eine gute Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Auch ist eine geringe Schichtdicke wünschenswert. Gemäß einer Ausführungsform des Konversionselements ist die Klebeschicht ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus polymerbasierten Klebstoffen und anorganischen Systemen.
Beispielsweise können die polymerbasierten Klebstoffe aus der Klasse der Silikone bzw. Siloxane ausgewählt sein. Silikone basieren z.B. auf der allgemeinen Formel [R₂SiO]_n, wobei R ein Alkyl (z.B. Methyl, Ethyl) oder ein Aryl (z.B. Phenyl) ist.
Ein Vorteil von silikonbasierten Systemen ist, dass diese Materialien stabil unter hoher Bestrahlungsleistung z.B. mit blauem Licht sind. Eine grundlegende Verbindungsklasse können dabei die Poly(dimethylsiloxane), die kettenförmig aufgebaut sind, sein. Bevorzugt kann dieses Material bei der Klebung von einem Chip (einer lichtemittierenden Schicht von blauem Licht) und einem Konversionselement eingesetzt werden, da es eine hohe Zuverlässigkeit für die Bestrahlung mit blauem Licht aufweist.
Es kann insbesondere für die Klebung der zwei anorganischen Schichten auch ein phenylisiertes Silikonsystem in Frage kommen, das sich durch einen höheren Brechungsindex auszeichnet (ca. n=1,5 gegen ca. n=1,4 bei reinen Methyl-Varianten). Von Vorteil kann hier sein, dass der Brechungsindexsprung zu den anorganischen Schichten (n ca.1,8 -2,2) geringer und die Transmission höher ist. Auch kann ein höher räumlich vernetztes Polysiloxan (harzartig) eingesetzt werden, das auch eine verbesserte Temperatur- und Langzeitstabilität aufweist.
Aufgrund der Wärmeleitfähigkeit der Silikone von ca. 0,1-0,2 W/mK ist es vorteilhaft die Dicke der Kleberschicht auf unter <10 µm zu begrenzen, vorzugsweise auf ca. 1 µm - max. 5 µm, besonders bevorzugt auf ca. 1 µm - ca. 2 µm.
Beispielhafte silikonbasierte Systeme sind Poly(dimethylsiloxane), Poly(diphenylsiloxane) und Poly(methylphenylsiloxane).
Die Klebeschicht kann, wie bereits erwähnt, auch aus einem anorganischen System ausgewählt sein. Vorteile eines anorganischen Systems sind die hohe thermische und mechanische Stabilität. Beispielsweise kann es sich um niederschmelzende Glaslote handeln. In einer Ausführungsform ist die Klebeschicht ein auf Kieselsäure basierendes System, z.B. Wasserglas der Formel M₂O · n SiO₂, wobei M Lithium, Natrium oder Kalium ist und n 1 bis 4 ist. In einer weiteren Ausführungsform ist die Klebeschicht eine SiO₂-Schicht, die vorzugsweise durch Sputterdeposition (z.B. reaktives Sputtern) auf die zu verbindenden Schichten aufgebracht ist. Das direkte „Bonding“ von aufgesputterten SiO_2-Schichten, wie es aus der Silizium/MEMS-Technologie bekannt ist kann hierfür verwendet werden. Dies erfordert in der Regel eine sehr hohe Planarität der Oberflächen.
In einer Ausführungsform trennt dabei die mindestens eine Klebeschicht, die mindestens eine erste anorganischen Schicht von der mindestens einen zweiten anorganischen Schicht ab, sodass die beiden anorganischen Schichten keine gemeinsame Kontaktfläche aufweisen. Durch eine Klebeschicht kann so eine Vermischung der Materialien der anorganischen Schichten und der Leuchtstoffe vermieden oder verringert werden, wodurch eine Reabsorption ausgeschlossen werden soll und eine gleichbleibende Farbqualität gewährleistet werden kann.
Die Klebeschicht weist in einer Ausführungsform eine Dicke von ≤ 30 µm auf. Bevorzugt weist die Klebeschicht eine Dicke von ≤ 15 µm auf und besonders bevorzugt eine Dicke von ≤ 5 µm auf. Dabei ist die Dicke der Klebeschicht in der Regel von der Art des Haftvermittlers abhängig. So ist eine aufgesputterte SiO₂-Schicht beispielsweise im Bereich von 300 bis 50 nm. Bevorzugt ist bei SiO₂ als Kleber eine Dicke von 200 bis 100 nm, insbesondere bevorzugt ist eine Dicke von ungefähr 100 nm. Bei silikonbasierten Systemen ist eine Dicke im Bereich von 30 bis 1 µm bevorzugt. Handelt es sich beispielsweise bei dem Haftvermittler um ein Silikon (z.B. Polymethylphenylsiloxan), so ist die Dicke der Schicht vorteilhafterweise < 10 µm, vorzugsweise zwischen ca. 1 µm bis maximal 5 µm, besonders bevorzugt zwischen ca. 1 µm bis ca. 2 µm.
Das gesamte Konversionselement weist bevorzugt eine maximale Dicke von 250 µm auf, wobei Dicken zwischen 100 µm und 200 µm besonders bevorzugt sind.
Gemäß einer Ausführungsform des Konversionselements kann dieses auch weitere anorganische Schichten umfassen, die mindestens einen weiteren Leuchtstoff aufweisen, der elektromagnetische Strahlung eines Wellenlängenbereichs in elektromagnetische Strahlung eines weiteren Wellenlängenbereichs umwandeln kann. Die weiteren Leuchtstoffe sind vorteilhafterweise verschieden zu den mindestens einen ersten und zweiten Leuchtstoffen der vorliegenden Erfindung. Zur Haftvermittlung zwischen der ersten, der zweiten und den möglichen weiteren anorganischen Schichten sind optisch nicht aktive Schichten als Haftvermittler angeordnet, wie sie insbesondere im Rahmen der vorliegenden Erfindung beschrieben werden.
Besonders bevorzugt weist der erste Wellenlängenbereich blaues Licht auf oder ist aus blauem Licht gebildet. Blaues Licht weist dabei in der Regel einen Wellenlängengereich von 420 nm bis 490 nm auf. Der zweite Wellenlängenbereich weist besonders bevorzugt gelbes und/oder grünes Licht auf oder ist aus gelbem und/oder grünem Licht gebildet. Gelbes Licht weist dabei in der Regel einen Wellenlängengereich von 575 nm bis 585 nm auf. Grünes Licht weist dabei in der Regel einen Wellenlängengereich von 490 nm bis 575 nm auf. Der dritte Wellenlängenbereich weist besonders bevorzugt rotes Licht auf oder ist aus rotem Licht gebildet. Rotes Licht weist dabei in der Regel einen Wellenlängengereich von 600 nm bis 750 nm auf. Ein derartiges Konversionselement ist insbesondere dazu geeignet, zusammen mit einer Lichtquelle, die blaues Licht aussendet, mischfarbige Strahlung mit Anteilen an blauer, gelber oder gelb-grüner und roter Strahlung auszusenden. Mischfarbige Strahlung, die Anteile an blauem Licht aus dem ersten Wellenlängenbereich, gelbes oder gelb-grünes Licht aus dem zweiten Wellenlängenbereich und rotes Licht aus dem dritten Wellenlängenbereich umfasst, führt in der Regel zu weißem Licht. Dabei kann je nach Anteil des blauen Lichts, des gelben Lichts, des grünen Lichts und des roten Lichts die Lichtfarbe des weißen Lichts eingestellt werden.
Das Konversionselement der vorliegenden Erfindung ist besonders bevorzugt dazu vorgesehen, in einem optoelektronischen Halbleiterbauelement, wie einer Leuchtdiode, eingesetzt zu werden.
Ein optoelektronisches Halbleiterbauelement umfasst einen Halbleiterkörper, der im Betrieb elektromagnetische Strahlung des ersten Wellenlängenbereichs von einer Strahlungsaustrittsfläche aussendet. Weiterhin umfasst das optoelektronische Halbleiterbauelement das Konversionselement der vorliegenden Erfindung, das elektromagnetische Strahlung aus dem ersten Wellenlängenbereich zumindest teilweise in Strahlung aus dem zweiten Wellenlängenbereich und dem dritten Wellenlängenbereich umwandelt, sodass das optoelektronische Halbleiterbauelement elektromagnetische Strahlung des ersten Wellenlängenbereichs, des zweiten Wellenlängenbereichs und des dritten Wellenlängenbereichs aussendet.
Das Konversionselement kann auf die Strahlungsaustrittsfläche aufgeklebt sein, beispielsweise mit einem Silikon. In einer Ausführungsform ist die Klebeschicht zur Aufbringung des Konversionselements auf die Strahlungsaustrittsfläche des Halbleiters verschieden zur Klebeschicht zwischen den anorganischen Schichten des Konversionselements.
Das Konversionselement ist besonders bevorzugt derart ausgebildet, dass es die elektromagnetische Strahlung des Halbleiterkörpers lediglich teilweise in Strahlung aus dem zweiten Wellenlängenbereich und Strahlung aus dem dritten Wellenlängenbereich umwandelt, während ein gewisser Teil der elektromagnetischen Strahlung des ersten Wellenlängenbereichs, der von dem Halbleiterkörper ausgesandt wird, das Konversionselement unkonvertiert durchläuft. Auf diese Art und Weise kann das optoelektronische Halbleiterbauelement mischfarbige Strahlung aussenden, die Strahlung des ersten Wellenlängenbereichs, des zweiten Wellenlängenbereichs und des dritten Wellenlängenbereichs aufweist oder aus Strahlung des ersten Wellenlängenbereichs, des zweiten Wellenlängenbereichs und des dritten Wellenlängenbereichs besteht.
Besonders bevorzugt weist die mischfarbige Strahlung einen Farbort im weißen Bereich der CIE-Normfarbtafel auf. Die Wellenlänge der mischfarbigen Strahlung ist dabei bevorzugt größtenteils in einem Bereich zwischen ca. 0,4 µm und ca. 0,8 µm.
Besonders bevorzugt ist das Konversionselement derart angeordnet, dass die anorganische Schicht zu der Strahlungsaustrittsfläche des Halbleiterkörpers weist, deren Leuchtstoff die Strahlung des ersten Wellenlängenbereichs in Strahlung mit den größten Wellenlängen umwandelt. Mit anderen Worten ist die anorganische Schicht mit dem Leuchtstoff, der das Licht des ersten Wellenlängenbereichs in das längerwelligste Licht umwandelt, so angeordnet, dass er zu dem Halbleiterkörper weist und das Licht des Halbleiterkörpers diese anorganische Schicht zuerst durchtritt. Auf diese Art und Weise kann eine Reabsorption von bereits umgewandeltem Licht durch einen der anderen Leuchtstoffe zumindest verringert werden.
Umfasst das Konversionselement mehr als zwei anorganische Schichten mit verschiedenen Leuchtstoffen, so sind die Schichten besonders bevorzugt derart angeordnet, dass die Wellenlängenbereiche, in die die anorganische Schicht die Strahlung des ersten Wellenlängenbereichs jeweils konvertieren, mit zunehmendem Abstand vom Halbleiterkörper kleinere Wellenlängen enthalten.
Ein Verfahren zur Herstellung des mindestens einen Konversionselements umfasst die folgenden Schritte:

- Bereitstellen einer ersten anorganischen Schicht, die mindestens einen ersten Leuchtstoff aufweist, der elektromagnetische Strahlung eines ersten Wellenlängenbereichs in elektromagnetische Strahlung eines zweiten Wellenlängenbereichs umwandelt,
- Aufbringen mindestens einer optisch nicht aktiven Schicht als Haftvermittler („Klebeschicht“) auf die erste anorganische Schicht,
- Bereitstellen einer zweiten anorganischen Schicht, die mindestens einen zweiten Leuchtstoff aufweist, der elektromagnetische Strahlung des ersten und/oder zweiten Wellenlängenbereichs in elektromagnetische Strahlung eines dritten Wellenlängenbereichs umwandelt,
- gegebenenfalls Aufbringen mindestens einer optisch nicht aktiven Schicht als Haftvermittler („Klebeschicht“) auf die zweite anorganische Schicht, wobei der erste Leuchtstoff und der zweite Leuchtstoff voneinander verschieden sind,
- Zusammenfügen der ersten anorganischen Schicht mit der zweiten anorganischen Schicht.

Im Rahmen des beschriebenen Verfahrens können analog auch weitere anorganische Schichten eingebracht werden, um ein Konversionselement mit mehr als zwei anorganischen Schichten herzustellen. Ein derartiges Verfahren weist somit die zusätzlichen Schritte auf:

- Bereitstellen einer weiteren anorganischen Schicht, die mindestens einen weiteren Leuchtstoff aufweist, der elektromagnetische Strahlung des ersten und/oder zweiten und/oder dritten Wellenlängenbereichs in elektromagnetische Strahlung eines weiteren Wellenlängenbereichs umwandelt,
- gegebenenfalls Aufbringen mindestens einer optisch nicht aktiven Schicht als Haftvermittler („Klebeschicht“) auf die weitere anorganische Schicht,
- Zusammenfügen der zwei anorganischen Schichten mit der weiteren anorganischen Schicht.

Vorteilhafterweise weisen das Konversionselement, die anorganischen Schichten, die Leuchtstoffe und die Klebeschicht die Merkmale auf, wie sie oben für ein erfindungsgemäßes Konversionselement beschrieben wurden.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst das Verfahren zur Herstellung eines Konversionselements den Schritt des Vereinzelns von mindestens einem Konversionselement. Das Vereinzeln kann dabei z.B. in Anlehnung an die Wafer-Technologie durch Ritzen und Brechen, Trennschleifen, Sägen, Lasertrennen, Plasmatrennen und Wasserstrahlschneiden erfolgen.
Ferner ist Gegenstand der Erfindung die Verwendung eines Konversionselements gemäß der vorliegenden Erfindung in einem optoelektronischen Halbleiterbauelement. Vorzugweise wird das optoelektronische Halbleiterbauelement in einer Beleuchtungseinrichtung mit Projektionsfunktion eingesetzt. Beleuchtungseinrichtungen mit Projektionsfunktion sind beispielsweise Scheinwerfer, Bühnenscheinwerfer, Downlights, kopfbewegte Scheinwerfer (sogenannte „moving heads“), Linsen, Projektoren, Fahrzeuginnenbeleuchtung (beispielweise Head-up Displays), Scheinwerfer zur Architekturbeleuchtung, etc.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Ausführungsbeispielen.

1a zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines Konversionselements gemäß einem Ausführungsbeispiel.
1b zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines Konversionselements gemäß einem Ausführungsbeispiel.
2 zeigt ein Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Halbleiterbauelements gemäß einem Ausführungsbeispiel.
3 zeigt ein Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Halbleiterbauelements gemäß einem Ausführungsbeispiel.
4 zeigt ein Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Halbleiterbauelements gemäß einem Ausführungsbeispiel.
5 zeigt ein Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Halbleiterbauelements gemäß einem Ausführungsbeispiel.
6 zeigt ein Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Halbleiterbauelements gemäß einem Ausführungsbeispiel.
7 zeigt ein optoelektronisches Halbleiterbauelement gemäß einem Ausführungsbeispiel.
8 zeigt ein beispielhaftes Emissionsspektrum eines optoelektronischen Halbleiterbauelements mit einem blauen InGaN Chip (450 nm λ_dom Emission) und Lu₃Al₅O₁₂:Ce³⁺ und CaAlSiN₃:Eu²⁺ als Leuchtstoffe. CRI = 94, R9 = 85 und CCT 2700 K (CCT = correlated colour temperature; Farbtemperatur). Die x-Achse gibt dabei die Wellenlänge in nm an, die y-Achse zeigt die Emissionsintensität an, die auf 1,0 normiert ist.

Gleiche, gleichartige oder gleich wirkende Elemente sind in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen. Die Figuren und die Größenverhältnisse der in den Figuren dargestellten Elemente untereinander sind nicht als maßstäblich zu betrachten. Vielmehr können einzelne Elemente, insbesondere Schichtdicken, zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein.
Das Konversionselement 1 gemäß dem Ausführungsbeispiel der 1a umfasst eine erste anorganische Schicht 2. Der erste Leuchtstoff, der in der ersten anorganischen Schicht 2 enthalten ist, ist dazu geeignet, blaues Licht aus einem ersten Wellenlängenbereich, das aus der lichtemittierenden Schicht 8 emittiert wird beispielsweise in gelbes und/oder grünes Licht umzuwandeln. Mit anderen Worten weist der zweite Wellenlängenbereich bei dem Ausführungsbeispiel gemäß der 1a beispielsweise gelbes und/oder grünes Licht auf. Bei der ersten anorganischen Schicht kann es sich um einen sauerstoffhaltigen Granatleuchtstoff handeln. Somit besteht die erste anorganische Schicht aus dem ersten Leuchtstoff. In einer alternativen Ausführungsform kann die erste anorganische Schicht auch eine Matrix aufweisen, in die ein Leuchtstoff eingebettet ist.
Zwischen der ersten anorganischen Schicht 2 und der zweiten anorganischen Schicht 4 ist eine Klebeschicht 6 angeordnet. Vorteilhafterweise ist die Klebeschicht nicht optisch aktiv und es erfolgt so keine Wellenlängenänderung des durchtretenden Lichts. Die Klebeschicht 6 ist dabei derart angeordnet, dass sie die erste anorganische Schicht 2 vollständig von der zweiten anorganischen Schicht 4 abtrennt. Bei der zweiten anorganischen Schicht 4 kann es sich um einen Nitridosilikatleuchtstoff handeln. Somit besteht die zweite anorganische Schicht 4 aus dem zweiten Leuchtstoff. Der zweite Leuchtstoff und somit die zweite anorganische Schicht 4 ist dazu geeignet, beispielsweise gelbes und/oder grünes Licht des zweiten Wellenlängenbereichs in rotes Licht des dritten Wellenlängenbereichs umzuwandeln. In einer alternativen Ausführungsform kann die zweite anorganische Schicht auch eine Matrix aufweisen, in die ein Leuchtstoff eingebettet ist.
Die blaue Strahlung des ersten Wellenlängenbereichs, die von der lichtemittierenden Schicht 8 ausgesandt wird, durchläuft also die Klebeschicht 7 und das Konversionselement 1. Hierbei wird z.B. ein Teil der blauen Strahlung durch den ersten Leuchtstoff 3 der ersten Schicht 2 in gelbes und/oder grünes Licht umgewandelt. Danach durchläuft die blaue Strahlung, die gelbe und/oder grüne Strahlung die zweite Schicht 4 und wird von dem zweiten Leuchtstoff 5 zumindest teilweise in rotes Licht umgewandelt. Der restliche Teil des blauen Lichts der lichtemittierenden Schicht 8 durchläuft das Konversionselement 1 unkonvertiert. Auf diese Art und Weise strahlt das optoelektronische Halbleiterbauelement mischfarbige, weiße Strahlung ab, die blaue Strahlung des ersten Wellenlängenbereichs, grüne und/oder gelbe Strahlung des zweiten Wellenlängenbereichs und rote Strahlung des dritten Wellenlängenbereichs umfasst und einen Farbort im weißen Bereich aufweist.
Wie bereits erwähnt, sind bei dem Konversionselement 1 gemäß dem Ausführungsbeispiel der 1a sowohl die erste anorganische Schicht 2 als auch die zweite anorganische Schicht 4 vollständig aus dem jeweiligen Leuchtstoff gebildet. Das Konversionselement 1 ist mit einer Klebeschicht 7 mit der lichtemittierenden Schicht 8 verbunden, die auf einem Substrat 9 auf einem Leadframe 10 angeordnet ist. Als lichtemittierende Schicht 8 kommt im Rahmen der vorliegenden Erfindung in der Regel Halbleiterschichten aus GaN- bzw. GaInN in Betracht.
Das Konversionselement 1 gemäß dem Ausführungsbeispiel der 1b umfasst eine erste anorganische Schicht 2a und eine erste anorganische Schicht 2b. Der erste Leuchtstoff, der in der ersten anorganischen Schicht 2a enthalten ist, ist dazu geeignet, blaues Licht aus einem ersten Wellenlängenbereich, das aus der lichtemittierenden Schicht 8 emittiert wird beispielsweise in gelbes und/oder grünes Licht umzuwandeln. Der erste Leuchtstoff, der in der ersten anorganischen Schicht 2b enthalten ist, ist dazu geeignet, blaues Licht aus einem ersten Wellenlängenbereich, das aus der lichtemittierenden Schicht 8 emittiert wird ebenfalls beispielsweise in gelbes und/oder grünes Licht umzuwandeln. Mit anderen Worten weist der zweite Wellenlängenbereich bei dem Ausführungsbeispiel gemäß der 1b beispielsweise gelbes und/oder grünes Licht auf. Bei der ersten anorganischen Schicht 2a und/oder 2b kann es sich um einen sauerstoffhaltigen Granatleuchtstoff handeln. Somit besteht die erste anorganische Schicht aus dem ersten Leuchtstoff. In einer alternativen Ausführungsform kann die erste anorganische Schicht auch eine Matrix aufweisen, in die ein Leuchtstoff eingebettet ist.
Zwischen der ersten anorganischen Schicht 2a und der ersten anoganischen Schicht 2b ist eine Klebeschicht 6a angeordnet. Vorteilhafterweise ist die Klebeschicht nicht optisch aktiv und es erfolgt so keine Wellenlängenänderung des durchtretenden Lichts. Die Klebeschicht 6a ist dabei derart angeordnet, dass sie die erste anorganische Schicht 2a vollständig von der ersten anorganischen Schicht 2b abtrennt. Die ersten anorganische Schicht 2b ist durch eine Klebeschicht 6b von der zweiten anorganischen Schicht 4a abgetrennt. Die zweite anorganische Schicht 4a ist durch eine Klebeschicht 6c von der zweiten anorganischen Schicht 4b abgetrennt. Bei der zweiten anorganischen Schicht 4a und/oder 4b kann es sich um einen Nitridosilikatleuchtstoff handeln. Somit besteht die zweite anorganische Schicht 4a und/oder 4b aus dem zweiten Leuchtstoff. Der zweite Leuchtstoff und somit die zweite anorganische Schicht 4a und/oder 4b ist dazu geeignet, beispielsweise gelbes und/oder grünes Licht des zweiten Wellenlängenbereichs in rotes Licht des dritten Wellenlängenbereichs umzuwandeln. In einer alternativen Ausführungsform kann die zweite anorganische Schicht auch eine Matrix aufweisen, in die ein Leuchtstoff eingebettet ist.
Die blaue Strahlung des ersten Wellenlängenbereichs, die von der lichtemittierenden Schicht 8 ausgesandt wird, durchläuft also die Klebeschicht 7 und das Konversionselement 1. Hierbei wird z.B. ein Teil der blauen Strahlung durch den ersten Leuchtstoff 3 der ersten Schicht 2a und/oder 2b in gelbes und/oder grünes Licht umgewandelt. Danach durchläuft die blaue Strahlung, die gelbe und/oder grüne Strahlung die zweite Schicht 4a und/oder 4b und wird von dem zweiten Leuchtstoff 5 zumindest teilweise in rotes Licht umgewandelt. Der restliche Teil des blauen Lichts der lichtemittierenden Schicht 8 durchläuft das Konversionselement 1 unkonvertiert. Auf diese Art und Weise strahlt das optoelektronische Halbleiterbauelement mischfarbige, weiße Strahlung ab, die blaue Strahlung des ersten Wellenlängenbereichs, grüne und/oder gelbe Strahlung des zweiten Wellenlängenbereichs und rote Strahlung des dritten Wellenlängenbereichs umfasst und einen Farbort im weißen Bereich aufweist.
In einer derartigen mehrschichtigen Ausführungsform sind die Leuchtstoffe, die in den jeweiligen anorganischen Schichten 2a, 2b, 4a und 4b enthalten sind vorzugsweise unterschiedlich, wobei besonders bevorzugt die Leuchtstoffe der anorganischen Schichten 2a und 2b aus der gleichen Gruppe (z.B. Gruppe der Granatleuchtstoffe) und die Leuchtstoffe der anorganischen Schichten 4a und 4b aus der gleichen Gruppe (z.B. Gruppe der Nitridosilikatleuchtstoffe) ausgewählt sind. Die Klebeschichten 6a, 6b und 6c können identisch, oder unterschiedlich sein.
In weiteren Ausführungsformen können die Konversionselemente auch nur die Schichten 2a, 6a, 4a, 6c, 4b, die Schichten 2a, 6a, 2b, 6b, 4a aufweisen.

Beispielhafte Konversionselemente 1 und eine Klebeschicht 7 können wie folgt aufgebaut sein: Tabelle 1

Sch icht	Beispiel 1	Beispiel 2	Beispiel 3	Beispiel 4
2	Lu₃Al₅O₁₂:Ce³⁺	Lu₃(Al,Ga)₅O₁₂:Ce³⁺	Lu₃Al₅O₁₂:Ce³⁺	Lu₃Al₅O₁₂:Ce³⁺
4	CaAlSiN₃:Eu²⁺	CaAlSiN₃:Eu²⁺	CaAlSiN₃:Eu²⁺	CaAlSiN₃:Eu²⁺
6	Dimethylsilikon	Phenylmethylsiloxan	Polysiloxan	SiO₂
7	Dimethylsilikon	Dimethylsilikon	Dimethylsilikon	Phenylmethylsilikon

Sch icht	Beispiel 5	Beispiel 6	Beispiel 7	Beispiel 8
2	Lu₃Al₅O₁₂:Ce³⁺ als Keramik	Lu₃(Al,Ga)₅O₁₂:Ce³⁺	Lu₃(Al,Ga)₅O₁₂:Ce³⁺ als Keramik	Y₃(Al,Ga)₅O₁₂: Ce³⁺
4	CaAlSiN₃:Eu²⁺ in Glas	SrLiAl₃N₄:Eu²⁺	SrLiAl₃N₄:Eu²⁺ (Sr,Ca)Al₂Si₂N₆:Eu²⁺ als Mischung in Glas	α-CaSiAlON
6	Polysiloxan	Polysiloxan	Phenylmethylsilikon	SiO₂
7	Dimethylsilikon	Dimethylsilikon	Dimethylsilikon	Dimethylsilikon

Schicht	Beispiel 9
2	(Y,Gd)₃Al₅O₁₂:Ce³⁺
4	(Ba,Sr,Ca)₂Si₅N₈:Eu²⁺
6	Phenylmethylsiloxan
7	Dimethylsilikon

Tabelle 2

Schicht	Beispiel 13	Beispiel 14
2a	Lu₃(Al,Ga)₅O₁₂:Ce³⁺	Lu₃(Al,Ga)₅O₁₂:Ce³⁺
2b	Y₃Al₅O₁₂:Ce³⁺	-
4a	CaAlSiN₃:Eu²⁺	SrLiAl₃N₄:Eu²⁺
4b	-	(Sr,Ca)Al₂Si₂N₆:Eu²⁺
6a,b	Phenylmethylsiloxan	Phenylmethylsiloxan
7	Dimethylsilikon	Dimethylsilikon

2 zeigt ein beispielhaftes Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Halbleiterbauelements gemäß der vorliegenden Erfindung. Bild A zeigt einen Leadframe 10, auf dem Substrat 9 mit einer lichtemittierenden Schicht 8 aufgebracht ist. Die lichtemittierende Schicht 8 sendet vorteilhafterweise blaues Licht aus. Bild B zeigt das Aufbringen einer Klebeschicht 7 auf die lichtemittierende Schicht 8. Bei der Klebeschicht 7 handelt es sich z.B. um Dimethylsilikon oder Phenylmethylsilikon. Die Klebeschicht 7 wird in einer derartigen Ausführungsform durch Dispensing oder Jetting eines Klebetropfens aufgebracht. Bild C zeigt das Aufbringen des Konversionselements 1, umfassend eine erste anorganische Schicht 2 und eine zweite anorganische Schicht 4 mit einer Klebeschicht 6 zwischen der ersten anorganischen Schicht 2 und der zweiten anorganischen Schicht 4 auf die Klebeschicht 7. Die Klebeschicht 7 wird bei Temperaturen von 150 °C oder höher ausgehärtet und so das Konversionselement 1 fest mit der lichtemittierenden Schicht 8 verbunden. Bild D zeigt ein fertiges optoelektronisches Halbleiterbauelement gemäß der vorliegenden Erfindung, das optional einen Seitenverguss 11 aufweist. Seitenverguss 11 umfasst beispielsweise eine Mischung von reflektierenden Pigmenten (TiO₂) und Füllkörpern (Glaskügelchen, Silikate, Glasfaserstücke) in einer Matrix aus Silikonen, wobei ein hoher Füllgrad mit anorganischem Material angestrebt wird. Der Seitenverguss kann durch Vergießen oder auch Spritzgussverfahren appliziert werden.
3 zeigt ein weiteres beispielhaftes Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Halbleiterbauelements gemäß der vorliegenden Erfindung. Bild A zeigt einen Leadframe 10, auf dem Substrat 9 mit einer lichtemittierenden Schicht 8 aufgebracht ist. Die lichtemittierende Schicht sendet vorteilhafterweise blaues Licht aus. Bild B zeigt das Aufbringen einer Klebeschicht 6 auf die lichtemittierende Schicht 8 sowie das Aufbringen einer ersten anorganischen Schicht 2 auf die Klebeschicht 7. Bei der Klebeschicht 7 handelt es sich z.B. um Methyl/Phenylsilikon. Die Klebeschicht 7 wird in einer derartigen Ausführungsform durch Dispensing aufgebracht. Bei der ersten anorganischen Schicht 2 handelt es sich z.B. um eine Keramik aus Lu₃Al₅O₁₂:Ce³⁺. Bild C zeigt die aufgebrachte erste anorganischen Schicht 2 auf die Klebeschicht 7. Die anorganische Schicht 2 wird durch einen mechanischen Manipulator ausgerichtet auf die Klebeschicht 7 aufgesetzt und leicht festgedrückt und kann beispielweise in diesem Schritt durch einen Temperaturschritt bei 150°C ausgehärtet werden. Die Aushärtung der Klebeschicht 7 kann allerdings auch später erfolgen. Bild D zeigt das Aufbringen der Klebeschicht 6 auf die erste anorganische Schicht 2. Bei der Klebeschicht 6 handelt es sich z.B. um Methyl/Phenylsilikon oder Polysiloxan. Die Klebeschicht 6 wird dabei durch Dispensing oder Jetting auf die erste anorganische Schicht 2 aufgebracht. In einem weiteren Schritt wird die zweite anorganische Schicht 4 auf die Klebeschicht 6 aufgebracht. Bei der zweiten anorganischen Schicht 4 handelt es sich z.B. um eine Keramik aus CaAlSiN₃:Eu²⁺. Dabei wird die zweite anorganische Schicht 2 auch wieder durch einen mechanischen Manipulator mit Saugpinzette ausgerichtet auf die Klebeschicht 6 aufgebracht. Bild E zeigt ein optoelektronisches Halbleiterbauelement gemäß der vorliegenden Erfindung, das optional auch einen Seitenverguss 11, wie in 1 gezeigt, aufweisen kann. Seitenverguss 11 umfasst beispielsweise TiO₂-Pigmente in Silikon.
4 zeigt ein beispielhaftes Verfahren zur Herstellung eines Konversionselements 1 gemäß der vorliegenden Erfindung. Dabei werden auf die erste anorganische Schicht 2 in Waferform und auf die zweite anorganische Schicht 4 in Waferform jeweils eine Klebeschicht 6 aufgebracht. In einer Ausführungsform handelt es sich bei der ersten anorganischen Schicht 2 um Lu₃AlO₁₂:Ce³⁺ und bei der zweiten anorganischen Schicht 4 um CaAlSiN₃:Eu²⁺. Bei der Klebeschicht 6 handelt es sich bei einer derartigen Ausführungsform um SiO₂. Die Klebeschicht 6 wird dabei durch ein Sputter- oder CVD-Verfahren aufgebracht. Dabei muss die Schicht planarisierend aufgebracht werden oder durch einen Polierprozess eingeebnet werden. In einem weiteren Schritt werden die erste anorganische Schicht 2 in Waferform mit der Klebeschicht 6 und die zweite anorganische Schicht 4 in Waferform mit der Klebeschicht 6 zusammengeführt. Dabei werden die anorganischen Schichten vorteilhafterweise so zusammengeführt, dass die Klebeschichten 6 der ersten anorganischen Schicht 2 und die der zweiten anorganischen Schicht 4 mindestens teilweise aufeinanderliegen. Die Klebeschicht wird durch Temperaturen bei 400°C ausgehärtet. Aus dem so gebildeten Waferverbund 12 wird durch Vereinzeln ein Konversionselement 1 gemäß der vorliegenden Erfindung gebildet. Das Vereinzeln wird in einer Ausführungsform durch ein Sägeverfahren durchgeführt.
In einer Ausführungsform handelt es sich bei den Klebeschichten 6, die auf die erste anorganische Schicht und auf die zweite anorganische Schicht aufgebracht werden, um ausgesputterte SiO₂-Schichten, die jeweils ca. 100 nm dick ist. Anschließend werden die beiden anorganischen Schichten so zusammengeführt, dass die Klebeschichten 6 in Kontakt sind. Im Falle der SiO₂-Schichten als Klebeschichten 6 erfolgt die Bindung zwischen den Schichten somit durch van der Waals-Kräfte.
Ein so hergestelltes Konversionselement kann weiter auf einen Chip (lichtemittierende Schicht), insbesondere in einem optoelektronischen Halbleiterbauelement eingebracht werden.
5 zeigt ein weiteres beispielhaftes Verfahren zur Herstellung eines Konversionselements 1 gemäß der vorliegenden Erfindung. Dabei wird auf die zweite anorganische Schicht 4 in Waferform eine Klebeschicht 6 aufgebracht. Die Klebeschicht 6 wird dabei durch Dispensing, Spincoating, Rakeln oder Siebdruck aufgebracht. In einem weiteren Schritt werden die erste anorganische Schicht 2 in Waferform mit der Klebeschicht 6 und die zweite anorganische Schicht 4 in Waferform zusammengeführt. In einer Ausführungsform handelt es sich bei der ersten anorganischen Schicht 2 um Lu₃Al₅O₁₂:Ce³⁺ und bei der zweiten anorganischen Schicht 4 um CaAlSiN₃:Eu²⁺. Bei der Klebeschicht 6 handelt es sich bei einer derartigen Ausführungsform um Polysiloxan, Phenylmethylsilikon oder Kieselgel. Dabei werden die anorganischen Schichten vorteilhafterweise so zusammengeführt, dass sie deckungsgleich übereinander angeordnet sind und die Klebeschicht 6 sich zwischen den beiden anorganischen Schichten befindet. Die Klebeschicht kann durch UV-Licht nach dem Aufbringen vorgehärtet und nach dem Fügen durch Temperatur ausgehärtet. Aus dem so gebildeten Waferverbund 12 wird durch Vereinzeln ein Konversionselement 1 gemäß der vorliegenden Erfindung gebildet. Das Vereinzeln wird in einer Ausführungsform durch Sägen durchgeführt.
Die Klebeschichten 6 in den Ausführungsformen, die in den 4 und 5 gezeigt sind, können mit den jeweiligen anorganischen Schichten deckungsgleich sein, oder kleiner als diese ausgebildet sein.
6 zeigt ein weiteres beispielhaftes Ausführungsbeispiel zur Herstellung eines optoelektronischen Halbleiterelements gemäß der vorliegenden Erfindung. Bild A zeigt ein Substrat 9 mit einer lichtemittierenden Schicht 8, die vorteilhafterweise im Betrieb blaues Licht aussendet. Auf die lichtemittierende Schicht 8 wird eine Klebeschicht 7 aufgetragen (nicht gezeigt). Bei der Klebeschicht 7 handelt es sich vorteilhafterweise um einen silikonbasierten Klebstoff (z.B. Methylsilikon), welche durch Dispensing aufgebracht wird. Auf die Klebeschicht 7 wird eine erste anorganische Schicht 2 aufgebracht (Bild B). Bei der ersten anorganischen Schicht 2 kann es sich z.B. um Lu₃Al₅O₁₂:Ce³⁺ handeln. Im nächsten Schritt wird auf die erste anorganische Schicht 2 eine Klebeschicht 6 aufgetragen (nicht gezeigt). Bei der Klebeschicht 6 kann es sich z.B. um Phenylmethylsilikon handeln. Die Klebeschicht 6 wird beispielsweise durch Dispensing aufgebracht. Im nächsten Schritt wird auf die Klebeschicht 6 die zweite anorganische Schicht 4 aufgebracht. Bei der zweiten anorganischen Schicht 4 handelt es sich z.B. um CaAlSiN₃:Eu²⁺. Im nächsten Schritt werden die Klebeschicht 6 ausgehärtet und so die anorganischen Schichten 2 und 4 fest miteinander verbunden und die lichtemittierende Schicht 8 wird so mit der ersten anorganischen Schicht 2 des Konversionselements 1 verbunden. Das Aushärten erfolgt vorteilhafterweise durch Tempern. Im nächsten Schritt erfolgt das Vereinzeln der Bauteile (Bild C). Das Vereinzeln kann z.B. durch Laserstrahltrennen oder Sägen durchgeführt werden. So entstehen beispielhafte optoelektronische Halbleiterbauelemente, wobei pro optoelektronisches Halbleiterbauelement ein oder mehrere Konversionselemente vorhanden sein können. Bevorzugt weist ein optoelektronisches Halbleiterbauelement ein Konversionselement auf.
7 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform eines Moduls, der zwei optoelektronische Halbleiterbauelemente gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst. Auf einem Leadframe 10 sind zwei Substrate 9 mit jeweils einer lichtemittierenden Schicht 8 angeordnet. Die lichtemittierenden Schichten 8 senden dabei vorzugsweise blaues Licht aus. Die lichtemittierenden Schichten 8 sind durch Klebeschichten 7 (z.B. aus Methylsilikon) mit den Konversionselementen 1 verbunden. Die Konversionselemente 1 weisen erste anorganische Schichten 2 und zweite anorganische Schichten 4 auf, die durch Klebeschichten 6 miteinander verbunden sind.
Typische laterale Chipabmessungen für high-power LEDs sind 1 mm × 1 mm (1 mm²), 1,5 mm × 1,3 mm (2 mm²) oder 2 mm × 2 mm (4 mm²). In einem Modul können ein oder mehrere Chips angeordnet sein.
In einer weiteren Ausführungsform können die Schichten 8 und 9, die Teile des Chips bilden, wie in den 1a, 1b, 2, 3 und 7 gezeigt, vertauscht sein. Das Substrat (z.B. Saphir) würde dabei direkt an die Klebeschicht 7 angrenzen und die lichtemittierende Schicht 8 würde an den Leadframe 10 angrenzen.
Eine Anwendung kann z.B. aus einer Kombination von anorganischen Schichten mit unterschiedlicher Dicke der ersten anorganischen Schicht 2 und zweiten anorganischen Schicht 4 bestehen. So kann die erste anorganische Schicht 2 eine andere Dicke als die zweite anorganische Schicht 4 aufweisen. Es können also bei Anordnung von mehreren optoelektronischen Halbleiterbauelementen die verschiedenen Konversionselemente unterschiedliche Schichtdicken der anorganischen Schichten zueinander aufweisen. Damit lassen sich z.B. zwischen Farbtemperaturen von CCT=6500K (geringer Rotanteil) und 3000K (hoher Rotanteil) steuerbare Beleuchtungsmodule (z.B. Bühnenbeleuchtungsmodule) realisieren. (CCT = correlated colour temperature; Farbtemperatur).
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

Konversionselement	1
erste anorganische Schicht	2, 2a, 2b
erster Leuchtstoff	3
zweite anorganische Schicht	4, 4a, 4b
zweiter Leuchtstoff	5
Klebeschicht	6, 6a, 6b
Klebeschicht	7
lichtemittierende Schicht	8
Substrat	9
Leadframe	10
Seitenverguss	11
Waferverbund	12

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102011010118 A1 [0002]
DE 102011113962 A1 [0002]
DE 102011116229 A1 [0002]
DE 10065381 A1 [0002]
TW 200845436 A [0002]
DE 102012109650 A1 [0002]

Claims

Konversionselement (1) umfassend: - eine erste anorganische Schicht (2), die mindestens einen ersten Leuchtstoff (3) aufweist, der elektromagnetische Strahlung eines ersten Wellenlängenbereichs in elektromagnetische Strahlung eines zweiten Wellenlängenbereichs umwandelt, - eine zweite anorganische Schicht (4), die mindestens einen zweiten Leuchtstoff (5) aufweist, der elektromagnetische Strahlung des ersten und/oder zweiten Wellenlängenbereichs in elektromagnetische Strahlung eines dritten Wellenlängenbereichs umwandelt, wobei der erste Leuchtstoff (3) und der zweite Leuchtstoff (5) voneinander verschieden sind; und - mindestens eine optisch nicht aktive Schicht als Haftvermittler (Klebeschicht) (6), die zumindest teilweise zwischen der ersten anorganischen Schicht (2) und der zweiten anorganischen Schicht (4) angeordnet ist.
Konversionselement (1) nach Anspruch 1, wobei der mindestens eine erste Leuchtstoff (3) und der mindestens eine zweite Leuchtstoff (5) ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus sauerstoffhaltigen Granatleuchtsstoffen und Nitridosilicatleuchtstoffen.
Konversionselement (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die mindestens eine Klebeschicht (6) ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus polymerbasierten Klebstoffmaterialien und anorganischen Systemen.
Konversionselement (1) nach Anspruch 3, wobei die mindestens eine Klebeschicht (6) ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus der Klasse der Silikone oder Siloxane, Wasserglas, Glaslote und SiO₂.
Konversionselement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste anorganische Schicht (2) ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Lu₃Al₅O₁₂Ce³⁺, Lu₃(Al,Ga)₅O₁₂:Ce³⁺, (Lu,Y)₃(Al,Ga)₅O₁₂:Ce³⁺, Y₃(Al,Ga)₅O₁₂:Ce³⁺, (Y,Gd)₃Al₅O₁₂:Ce³⁺ Y₃Al₅O₁₂:Ce³⁺, Y₃Al₅O₁₂, Al₂O₃ und Glas.
Konversionselement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der mindestens eine erste Leuchtstoff (3) ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Lu₃Al₅O₁₂:Ce³⁺, Lu₃(Al,Ga)₅O₁₂:Ce³⁺, Y₃(Al,Ga)₅O₁₂:Ce³⁺ und Mischungen davon.
Konversionselement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zweite anorganische Schicht (4) ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus (Ca,Sr)AlSiN₃:Eu²⁺, (Sr,Ca)Al₂Si₂N₆:Eu²⁺, MgAlSiN₃:Eu²⁺, CaAlSiN₃:Eu²⁺, (Ba,Sr,Ca)₂Si₅N₈:Eu²⁺, Sr(LiAl₃N₄):Eu²⁺, Si₃N₄, Y₃Al₅O₁₂, Al₂O₃ und Glas.
Konversionselement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der mindestens eine zweite Leuchtstoff (5) ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus (Ca,Sr)AlSiN₃:Eu²⁺, (Sr,Ca)Al₂Si₂N₆:Eu²⁺, MgAlSiN₃:Eu²⁺, CaAlSiN₃:Eu²⁺, (Ba,Sr,Ca)₂Si₅N₈:Eu²⁺, Sr(LiAl₃N₄): Eu²⁺, und Mischungen davon.
Konversionselement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste anorganische Schicht (2) eine Dicke zwischen einschließlich 40 µm und einschließlich 150 µm aufweist; und/oder wobei die zweite anorganische Schicht (4) eine Dicke zwischen einschließlich 30 µm und einschließlich 150 µm aufweist.
Konversionselement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Klebeschicht (6) eine Dicke von ≤ 30 µm aufweist.
Konversionselement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Wellenlängenbereich blaues Licht, der zweite Wellenlängenbereich grünes und/oder gelbes Licht und der dritte Wellenlängenbereich rotes Licht umfasst.
Optoelektronisches Halbleiterbauelement umfassend: - einen Halbleiterkörper, der im Betrieb elektromagnetische Strahlung eines ersten Wellenlängenbereichs von einer Strahlungsaustrittsfläche aussendet, - ein Konversionselement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das elektromagnetische Strahlung aus dem ersten Wellenlängenbereich zumindest teilweise in Strahlung aus dem zweiten Wellenlängenbereich und dem dritten Wellenlängenbereich umwandelt, so dass das optoelektronische Halbleiterbauelement elektromagnetische Strahlung des ersten Wellenlängenbereichs, des zweiten Wellenlängenbereichs und des dritten Wellenlängenbereichs aussendet.
Verfahren zur Herstellung mindestens eines Konversionselements (1) umfassend die Schritte: - Bereitstellen einer ersten anorganischen Schicht (2), die mindestens einen ersten Leuchtstoff (3) aufweist, der elektromagnetische Strahlung eines ersten Wellenlängenbereichs in elektromagnetische Strahlung eines zweiten Wellenlängenbereichs umwandelt, - Aufbringen mindestens einer optisch nicht aktiven Schicht als Haftvermittler (Klebeschicht) (6) auf die erste anorganische Schicht (2), - Bereitstellen einer zweiten anorganischen Schicht (4), die mindestens einen zweiten Leuchtstoff (5) aufweist, der elektromagnetische Strahlung des ersten und/oder zweiten Wellenlängenbereichs in elektromagnetische Strahlung eines dritten Wellenlängenbereichs umwandelt, - gegebenenfalls Aufbringen mindestens einer optisch nicht aktiven Schicht als Haftvermittler (Klebeschicht) (6) auf die zweite anorganische Schicht (4), wobei der erste Leuchtstoff (3) und der zweite Leuchtstoff (5) voneinander verschieden sind und vorzugsweise ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus sauerstoffhaltigen Granatleuchtsstoffen und Nitridosilicatleuchtstoffen, - Zusammenfügen der ersten anorganischen Schicht (2) mit der zweiten anorganischen Schicht (4).
Verfahren nach Anspruch 13, ferner umfassend den Schritt des Vereinzelns mindestens eines Konversionselements (1).
Verwendung des Konversionselements (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11 in einem optoelektronischen Halbleiterbauelement nach Anspruch 12 in einer Beleuchtungseinrichtung mit Projektionsfunktion.