DE102019123890A1

DE102019123890A1 - Optischer körper, reflexionselement, bauelement, verfahren zur herstellung eines optischen körpers und verfahren zur herstellung eines rerflexionselements

Info

Publication number: DE102019123890A1
Application number: DE102019123890.0A
Authority: DE
Inventors: Ivar Tångring
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2019-09-05
Filing date: 2019-09-05
Publication date: 2021-03-11
Also published as: WO2021043657A1

Abstract

Es wird ein optischer Körper (1) angegeben mit- einem Matrixmaterial (2) mit einem Brechungsindex kleiner gleich 1,5;- einer Vielzahl an Streupartikeln (3) mit einem Brechungsindex von größer gleich 2,0; und- einer Vielzahl von Poren (4), die mit einem Gas gefüllt sind.Darüber hinaus werden ein Reflexionselement (5) und ein Bauelement (7) mit einem solchen Reflexionselement (5) angegeben. Zusätzlich wird ein Verfahren zur Herstellung eines optischen Körpers (1) und zur Herstellung eines Reflexionselements (5) angegeben.

Description

Es werden ein optischer Körper, ein Reflexionselement und ein Bauelement angegeben. Darüber hinaus werden ein Verfahren zur Herstellung eines optischen Körpers und ein Verfahren zur Herstellung eines Reflexionselements angegeben.
Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, einen verbesserten optischen Körper, ein verbessertes Reflexionselement und ein verbessertes Bauelement anzugeben, die verbesserte optische Eigenschaften aufweisen. Eine weitere zu lösende Aufgabe besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung eines optischen Körpers und zur Herstellung eines Reflexionselements anzugeben.
Es wird ein optischer Körper angegeben. Der optische Körper ist zum Beispiel dazu vorgesehen, elektromagnetische Strahlung, insbesondere Licht, zu reflektieren. Der optische Körper weist zum Beispiel einen hohen Reflexionsgrad auf. So ist beispielsweise der optische Körper ein diffus reflektierender optischer Körper. Als Beispiel reflektiert der optische Körper mindestens 90 % der elektromagnetischen Strahlung, die auf den optischen Körper trifft.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der optische Körper ein Matrixmaterial mit einem Brechungsindex von kleiner gleich 1,5 auf. Bevorzugt ist der Brechungsindex kleiner gleich 1,4, besonders bevorzugt ist der Brechungsindex kleiner gleich 1,35. Beispielsweise ist der Brechungsindex zwischen zumindest 1,26 und höchstens 1,28. Hier und im Folgenden ist mit dem Brechungsindex insbesondere der Brechungsindex für elektromagnetische Strahlung bei einer Wellenlänge von 589 nm gemeint.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der optische Körper eine Vielzahl an Streupartikeln mit einem Brechungsindex von größer gleich 2,0 auf. Beispielsweise ist der Brechungsindex der Streupartikel größer gleich 2,5. Bevorzugt ist der Brechungsindex der Streupartikel um zumindest 1 größer als der Brechungsindex des Matrixmaterials.
Die Streupartikel sind insbesondere aus der folgenden Gruppe ausgewählt: Nd₂O₅, Al₂O₃, Ta₂O₅, ZrO₂, ZnO, SiN_x, SiO_xN_y, SiO₂, TiO₂, ZrO₂, HfO₂, Nb₂O₅, MgF₂ oder Kombinationen daraus.
Die Vielzahl an Streupartikeln ist in das Matrixmaterial eingebettet. Die Streupartikel oder ein Großteil der Streupartikel sind vollständig von dem Matrixmaterial umgeben. Das bedeutet, dass die Streupartikel von allen Seiten von dem Matrixmaterial umgeben sein können. Darüber hinaus können die Streupartikel in direktem Kontakt mit dem Matrixmaterial stehen. Die Streupartikel sind dabei bevorzugt gleichmäßig im Matrixmaterial verteilt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der optische Körper eine Vielzahl von Poren, die mit einem Gas gefüllt sind, auf. Bei dem Gas handelt es sich zum Beispiel um ein Prozessgas wie Stickstoff, Argon oder um Luft.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist der optische Körper ein Matrixmaterial mit einem Brechungsindex kleiner gleich 1,5, einer Vielzahl an Streupartikeln mit einem Brechungsindex von größer gleich 2,0 und eine Vielzahl von Poren, die mit einem Gas gefüllt sind, auf. Bevorzugt besteht der optische Körper aus einem Matrixmaterial mit einem Brechungsindex kleiner gleich 1,5, einer Vielzahl an Streupartikeln mit einem Brechungsindex von größer gleich 2,0 und einer Vielzahl von Poren, die mit einem Gas gefüllt sind.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optischen Körpers machen die Poren wenigstens 30 Vol.-% am Gesamtvolumen des optischen Körpers aus. Mit Vorteil kann durch den Anteil der Poren eine Dichte des optischen Körpers eingestellt werden. Die Dichte des optischen Körpers ist bevorzugt größer als 2 g/cm³. Somit wird mit Vorteil ein mechanisch stabiler optischer Körper erhalten. Zusätzlich ist aufgrund der Dichte eine Sedimentation des optischen Körpers in weiteren Elementen einstellbar. Zum Beispiel machen die Poren höchstens 60 Vol.-% am Gesamtvolumen des optischen Körpers aus.
Weiterhin kann durch die Poren der Brechungsindex des Matrixmaterials eingestellt werden. Wenn die Poren mit Luft gefüllt sind, dann ist der Brechungsindex der Poren bei etwa 1 und somit kann der Brechungsindex des Matrixmaterials mit Vorteil reduziert werden. Dadurch wird ein größerer Brechungsindexunterschied zwischen dem Matrixmaterial mit den Poren und der Vielzahl an Streupartikeln erzielt, was zu einer verbesserten Reflektivität von elektromagnetischer Strahlung führt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des optischen Körpers weisen die Poren einen mittleren Durchmesser zwischen zumindest 10 Nanometer und höchstens 30 Nanometer auf. Der mittlere Durchmesser wird durch den D50-Wert bestimmt. Das bedeutet, dass 50 % der Poren kleiner sind als der angegebene Wert. Die Poren weisen beispielsweise eine Kugelform oder ein Ellipsoid auf.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optischen Körpers ist das Matrixmaterial über ein Sol-Gel-Verfahren hergestellt. Bei dem Sol-Gel-Verfahren werden Edukte in Lösungen als Teilchen bereitgestellt. Diese bilden das Sol, welche dann weiterverarbeitet werden, zu Pulvern, Fasern, Schichten oder Aerogele. Durch anschließendes Gelieren entsteht ein Gel, welches dann durch Erhitzen oder Trocknung ausgehärtet werden kann. Mit Vorteil kann durch das Sol-Gel-Verfahren ein Matrixmaterial hergestellt werden, welches Poren aufweist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optischen Körpers ist das Matrixmaterial nicht wasserlöslich. Nicht wasserlöslich heißt, dass das Matrixmaterial in wässrigen Verbindungen sich größtenteils nicht löst. Mit Vorteil ist somit der optische Körper mit einem nicht wasserlöslichen Matrixmaterial in vielen Anwendungsgebieten einsetzbar.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des optischen Körpers ist das Matrixmaterial aus einer Gruppe ausgewählt, die MgF₂, SiO₂ und Kombinationen daraus aufweist. Bevorzugt ist das Matrixmaterial MgF₂. MgF₂ hat einen Brechungsindex von 1,38 und SiO₂ hat einen Brechungsindex von 1,46. Der Brechungsindex des optischen Körpers kann durch den Anteil an Poren in dem optischen Körper gezielt eingestellt werden. Das heißt, wird MgF₂ als Matrixmaterial verwendet, dann kann der Brechungsindex mit Hilfe der Poren auf deutlich niedrigere Brechungsindexwerte von beispielsweise 1,26 bis 1,28 eingestellt werden. Weiterhin kann SiO₂ als Matrixmaterial verwendet werden. Hierbei muss ein größerer Anteil an Poren in den optischen Körper eingebracht werden, um den Brechungsindex entsprechend zu verringern.
Vorteilhaft ist es mit Hilfe der Poren im Matrixmaterial möglich, ein Material zu erhalten, welches eine große Brechungsindexdifferenz zu den Streupartikeln aufweist, was zu einer erhöhten Reflektivität von elektromagnetischer Strahlung an dem optischen Körper führt. Weiterhin steigt eine Streustärke in etwa quadratisch mit der Brechungsindexdifferenz zwischen dem Matrixmaterial mit Poren und den Streupartikeln. Das heißt, dass bei dem Einsatz von MgF₂ als Matrixmaterial mit Poren im Vergleich zu SiO₂ als Matrixmaterial ohne Poren eine 30 % höhere Streustärke resultiert. Beispielsweise ist der Brechungsindex des Matrixmaterials aus MgF₂ mit Poren 1,28 und der Brechungsindex des SiO₂-Matrixmaterials ohne Poren 1,46.
Die Streupartikel sind in das Matrixmaterial eingebettet. Bevorzugt sind die Streupartikel nicht in den Poren eingebettet. Das heißt, die Poren sind frei oder im Wesentlichen frei von den Streupartikeln. Im Wesentlichen frei heißt dabei, dass höchstens 10 % des Volumens der Poren mit den Streupartikeln gefüllt ist. Bevorzugt weisen die Poren einen kleineren mittleren Durchmesser auf als die Streupartikel, wodurch sich keine Streupartikel in den Poren einlagern können.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optischen Körpers sind die Streupartikel TiO₂-Partikel. TiO₂-Partikel haben einen Brechungsindex von 2,5 und erhöhen, aufgrund der Differenz der Brechungsindizes zwischen den Streupartikeln und dem Matrixmaterial mit den Poren, die Streuung am optischen Körper. Dadurch wird auch das Reflexionsvermögen des optischen Körpers erhöht.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optischen Körpers machen die Streupartikel wenigstens 5 Vol.-% und höchstens 20 Vol.-% am Gesamtvolumen des optischen Körpers aus. Bevorzugt machen die Streupartikel wenigstens 10 Vol.-% und höchstens 20 Vol.-% am Gesamtvolumen des optischen Körpers aus. Insbesondere machen die Streupartikel wenigstens 5 Vol.-% und höchstens 10 Vol.-% am Gesamtvolumen des optischen Körpers aus. Die Streupartikel sind bevorzugt homogen in dem optischen Körper verteilt. Besonders bevorzugt bilden die Streupartikel in dem optischen Körper keinen Gradienten. Das heißt, insbesondere an der Oberfläche des optischen Körpers tritt keine höhere Konzentration von Streupartikeln auf als im Inneren des optischen Körpers.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optischen Körpers weisen die Streupartikel einen mittleren Partikeldurchmesser zwischen zumindest 100 Nanometer und höchstens 250 Nanometer auf. Der mittlere Partikeldurchmesser wird durch den D50-Wert bestimmt. Bevorzugt weisen die Streupartikel einen mittleren Partikeldurchmesser zwischen zumindest 100 Nanometer und höchstens 200 Nanometer auf.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der optische Körper kugelförmig oder kugelartig ausgebildet und weist einen mittleren Durchmesser zwischen zumindest 3 Mikrometer und höchstens 50 Mikrometer auf. Kugelförmig heißt, dass der optische Körper bevorzugt in Form einer Kugel ausgebildet ist und kugelartig bedeutet, dass der optische Körper ellipsoid oder oval ausgebildet sein kann.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optischen Körpers sind die Streupartikel verkapselt. Die Streupartikel weisen eine dünne Schicht, bevorzugt eine Verkapselung, die vollständig jedes Streupartikel umgibt, auf. Die Dicke der Verkapselung ist bevorzugt höchstens 10 Nanometer. Besonders bevorzugt ist die Dicke der Verkapselung höchstens 5 Nanometer. Die Verkapselung kann mittels Atomlagenabscheidung (ALD) aufgebracht sein. Mit Vorteil ist ein derart verkapseltes Streupartikel gegenüber Umwelteinflüssen und gegenüber Säuren, welche beispielsweise in einem Herstellungsverfahren verwendet werden, geschützt. Somit dient die Verkapselung als Korrosionsschutz.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optischen Körpers ist die Verkapselung gebildet aus Al₂O₃ und/oder MgF₂. MgF₂ wird dabei bevorzugt aus der Gasphase aufgebracht. Insbesondere weist die Verkapselung das gleiche Material auf, wie das Matrixmaterial. Somit wird mit Vorteil die Lösbarkeit der Streupartikel in dem Matrixmaterial verbessert.
Es wird weiter ein Reflexionselement angegeben. Das Reflexionselement ist zum Beispiel dazu vorgesehen, elektromagnetische Strahlung, die von einem Halbleiterchip eines Bauelements emittiert wird oder externes Licht, auf eine bevorzugte Strahlungsemissionsseite zu leiten. Durch die Anordnung eines Reflexionselements, beispielsweise in der Nähe eines Konversionselements, kann elektromagnetische Strahlung, die das Konversionselement an Seiten verlässt, die nicht die bevorzugte Strahlungsemissionsseite sind, von dem Reflexionselement zurück zum Konversionselement reflektiert werden. Je höher die Reflexionsfähigkeit eines Reflexionselements ist, desto geringer sind die Verluste durch elektromagnetische Strahlung im Bauelement. Das Reflexionselement kann insbesondere als eine Reflexionsschicht ausgebildet sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Reflexionselement ein Vergussmaterial, in das eine Vielzahl weiterer Streupartikel und eine Vielzahl von hier beschriebenen optischen Körpern eingebettet sind, auf. Die weiteren Streupartikel können sich von den Streupartikeln unterscheiden. Bevorzugt weisen die weiteren Streupartikel und die Streupartikel das gleiche Material auf. Zusätzlich können die optischen Körper kugelförmig, als Stäbe oder kugelartig in das Vergussmaterial eingebettet sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Reflexionselements ist das Vergussmaterial aus einer Gruppe ausgewählt, die Epoxid, Silikon, Hybridmaterial und Kombinationen daraus umfasst. Bevorzugt ist das Vergussmaterial ein Material, welches einen geringen Brechungsindex und einen geringen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist.
Mit Vorteil ist der thermische Ausdehnungskoeffizient des Reflexionselements bei kleiner gleich 200 ppm/K. Das führt zu einer reduzierten Rissbildung des Reflexionselements beim Einsatz in Bereichen mit hohen Temperaturschwankungen. Wird als Vergussmaterial Silikon verwendet, ist der thermische Ausdehnungskoeffizient idealerweise kleiner als 150 ppm/K. Bei dem Einsatz von Epoxiden als Vergussmaterial kann ein thermischer Ausdehnungskoeffizient von kleiner 50 ppm/K erzielt werden. Der Ausdehnungskoeffizient von MgF₂, welches bevorzugt das Matrixmaterial des optischen Körpers ist, liegt bei etwa 10 ppm/K.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Reflexionselements machen der Anteil der weiteren Streupartikel zwischen zumindest 5 Vol.-% und höchstens 10 Vol.-% am Gesamtvolumen des Reflexionselements aus.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Reflexionselements machen der Anteil der optischen Körper zwischen zumindest 40 Vol.-% und höchstens 80 Vol.-% am Gesamtvolumen des Reflexionselements aus. Der Anteil der optischen Körper ist bevorzugt zwischen zumindest 40 Vol.-% und höchstens 70 Vol.% des Gesamtvolumens des Reflexionselements. Zum Beispiel sind in etwa 50 Vol.-% des Gesamtvolumens des Reflexionselements mit den optischen Körpern versehen. Weiterhin weisen die optischen Körper einen um den Faktor von mindestens 10 größeren mittleren Durchmesser als die weiteren Streupartikel auf.
Die optischen Körper bilden bevorzugt in dem Reflexionselement aufgrund deren Dichte einen Gradienten. Das heißt, in dem Bereich einer Oberfläche des Reflexionselements, zum Beispiel der Deckfläche, tritt eine geringere Konzentration an optischen Körpern auf als an der gegenüberliegenden Oberfläche, zum Beispiel der Bodenfläche, des Reflexionselements.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Reflexionselements machen der Anteil der weiteren Streupartikel zwischen zumindest 5 Vol.-% und höchstens 10 Vol.-% am Gesamtvolumen des Reflexionselements aus und der Anteil der optischen Körper machen zwischen zumindest 40 Vol.-% und höchstens 80 Vol.-% am Gesamtvolumen des Reflexionselements aus.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Reflexionselements liegt der optische Körper eingehüllt vor. Bevorzugt wird hierbei eine Hülle um jeden optischen Körper gebildet, die dünner als 15 Nanometer ist. Bevorzugt ist die Hülle dünner als 10 Nanometer. Die Hülle ist bevorzugt mit Al₂O₃ gebildet oder besteht daraus. Diese wird mit einem ALD-Prozess aufgebracht. Der Vorteil der Hülle ist, dass kein Vergussmaterial des Reflexionselements in die Poren des optischen Körpers eindringen kann, was den Vorteil der Poren in Bezug auf die Senkung des Brechungsindex mindern würde.
Es wird weiter ein Bauelement angegeben. Bei dem Bauelement kann es sich beispielsweise um ein elektronisches oder ein optoelektronisches Bauelement handeln. Zum Beispiel handelt es sich bei dem optoelektronischen Bauelement um ein Halbleiterlaserbauelement, eine Leuchtdiode, einen optischen Verstärker oder eine Fotodiode.
Halbleiterlaserbauelemente können beispielsweise in sogenannten TO-Bauformen (TO: „transistor outline“) realisiert werden. Hierbei ist zum Beispiel die Verwendung eines kompakten TO-Metallgehäuses vorgesehen. Das kompakte TO-Metallgehäuse ist im Wesentlichen aus Stahl oder Kupfer gefertigt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Bauelement einen Halbleiterchip, der eine elektromagnetische Strahlung eines ersten Wellenlängenbereichs emittiert und/oder empfängt, auf. Bei dem Halbleiterchip handelt es sich zum Beispiel um einen optoelektronischen Halbleiterchip. Der optoelektronische Halbleiterchip, wie beispielsweise ein Leuchtdiodenchip, ein Fotodiodenchip und/oder ein Laserdiodenchip, weist eine epitaktisch gewachsene Halbleiterschichtenfolge mit einer aktiven Zone auf, die dazu eingerichtet ist, elektromagnetische Strahlung zu detektieren oder zu erzeugen. Der optoelektronische Halbleiterchip kann im Betrieb beispielsweise elektromagnetische Strahlung aus einem Wellenlängenbereich von UV-Strahlung, blauem Licht und/oder im Infrarotbereich emittieren und/oder empfangen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Halbleiterchip eine Halbleiterschichtenfolge auf. Die Halbleiterschichtenfolge basiert bevorzugt auf einem III-V-Verbindungshalbleitermaterial, zum Beispiel auf einem Nitridverbindungshalbleitermaterial.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Bauelement ein hier beschriebenes Reflexionselement auf.
Beispielsweise ist das Reflexionselement dem Halbleiterchip und/oder einem Träger für den Halbleiterchip, zum Beispiel einem Leiterrahmen oder eine Leiterplatte, nachgeordnet. Das Reflexionselement ist beispielsweise als Reflexionsschicht ausgebildet und ist auf dem Träger angeordnet. Über den Träger erfolgt eine elektrische Kontaktierung des Halbleiterchips. Zum Beispiel weist der Träger ein schlecht reflektierendes Material wie Kupfer auf. Weiterhin kann die Reflexionsschicht zwischen einem Konversionselement und dem Träger angeordnet sein. Das Konversionselement weist beispielsweise Leuchtstoffe auf, die dazu vorgesehen sind, die emittierte elektromagnetische Strahlung des ersten Wellenlängenbereichs in elektromagnetische Strahlung eines zweiten Wellenlängenbereichs umzuwandeln.
Das Reflexionselement ist mit Vorteil dazu eingerichtet, externes Licht und elektromagnetische Strahlung des Halbleiterchips zu reflektieren. Somit kann eine Absorption an dem Träger mit Vorteil reduziert werden. Das Reflexionselement weist einen Reflexionsgrad von größer oder gleich 70 %, bevorzugt größer oder gleich 90 %, beispielsweise 95 %, auf.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist das Bauelement einen Halbleiterchip, der im Betrieb elektromagnetische Strahlung eines ersten Wellenlängenbereichs emittiert, und ein hier beschriebenes Reflexionselement auf.
Es wird weiter ein Verfahren zur Herstellung eines optischen Körpers angegeben. Vorzugsweise kann mit dem Verfahren ein hier beschriebener optischer Körper hergestellt werden. Das heißt, sämtliche Merkmale, die für den optischen Körper offenbart sind, sind auch für das Verfahren zur Herstellung eines optischen Körpers offenbart und umgekehrt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das Verfahren zur Herstellung eines optischen Körpers die folgenden Schritte:

- Bereitstellen einer Ausgangsverbindung,
- Hinzugabe einer Säure,
- Hinzugabe einer Vielzahl an Streupartikeln,
- Aushärten zu einem optischen Körper.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens zur Herstellung eines optischen Körpers wird eine Ausgangsverbindung bereitgestellt. Die Ausgangsverbindung kann eine Magnesiumverbindung und/oder eine Siliziumverbindung sein. Als Silizium-Ausgangsverbindung kann SiO₂ oder ein Ester der Orthokieselsäure wie beispielsweise TEOS (Tetraethylorthosilicat), MTEOS (Triethoxymethylsilan) und TMOS (Tetramethylorthosilicat) eingesetzt werden. Die Magnesium-Ausgangsverbindung ist beispielsweise MgCl₂, Mg, Mg(OAc)₂, Mg(OAc)₂ * 4H₂O, Mg(OEt)₂ und Mg(OMe)₂.
In einem nächsten Schritt wird eine Säure hinzugegeben. Bevorzugt ist die Säure eine fluorierte Säure und/oder eine sauerstoffhaltige Säure und/oder Salzsäure. Beispielsweise wird NaF, NH₄F, HF, CF₃COOH, HCl oder eine Kombination daraus verwendet. Zusätzlich kann ein Lösungsmittel hinzugegeben werden. Das Lösungsmittel ist hierbei bevorzugt Ethanol und/oder Methanol.
Zu der Ausgangsverbindung und zu der Säure wird eine Vielzahl an Streupartikeln hinzugegeben. Die Streupartikel sind bevorzugt verkapselt, um somit vor der Säure geschützt zu sein.
In einem letzten Schritt werden optional das Lösungsmittel und die Reste der Säure durch Erhitzen und/oder unter Vakuum entfernt. Die Temperaturen hierbei liegen bevorzugt zwischen 100 °C und 250 °C. Der optische Körper wird beispielsweise zu einer 50 Mikrometer dicken Schicht gerakelt und anschließend ausgehärtet. Das hier beschriebene Verfahren ist ein Sol-Gel-Verfahren.
Nach dem Aushärten wird der optische Körper erhalten, welcher Poren aufweist. Der Anteil der Poren in dem Gesamtmaterial des optischen Körpers liegt bei mehr als 30 Vol.-% am Gesamtvolumen des optischen Körpers.
Es wird weiter ein Verfahren zur Herstellung eines Reflexionselements angegeben. Vorzugsweise kann mit dem hier beschriebenen Verfahren ein Reflexionselement beschrieben werden. Das heißt, sämtliche Merkmale, die für das Reflexionselement offenbart sind, sind auch für das Verfahren zur Herstellung eines Reflexionselements offenbart und umgekehrt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das Verfahren zur Herstellung eines Reflexionselements die folgenden Schritte:

- Vereinzeln, insbesondere Zermahlen des hier beschriebenen hergestellten optischen Körpers zu einer Vielzahl optischer Körper,
- Sortieren der Vielzahl optischer Körper nach der Größe,
- Bereitstellen eines Vergussmaterials,
- Einbetten von einer Vielzahl an weiteren Streupartikeln in das Vergussmaterial,
- Einbetten von einer Vielzahl der optischen Körper, einer vorgebbaren Größe, in das Vergussmaterial.

In einem ersten Schritt wird der hier beschriebene hergestellte optische Körper zu einer Vielzahl optischer Körper vereinzelt. Beispielsweise wird die Schicht des optischen Körpers zermahlen. Anschließend wird die Vielzahl optischer Körper der Größe nach sortiert. Hierbei werden die optischen Körper anhand ihrer Durchmesser, ihrer Volumen und/oder ihrer Gewichte sortiert. Bevorzugt werden die optischen Körper anhand ihrer Durchmesser sortiert. Das Sortieren findet zum Beispiel mit Hilfe eines Siebs statt.
In einem nächsten Schritt wird ein Vergussmaterial bereitgestellt. In das Vergussmaterial wird eine Vielzahl an weiteren Streupartikeln eingebettet.
In einem letzten Schritt des Verfahrens wird in das Vergussmaterial eine Vielzahl der optischen Körper einer vorgebbaren Größe eingebettet. Bevorzugt werden unterschiedlich große optische Körper, bezogen auf den Durchmesser, und weitere Streupartikel eingebettet, um eine maximale Packungsdichte zu erzielen. Die weiteren Streupartikel befinden sich bevorzugt in Zwischenräumen. Die Zwischenräume sind Bereiche zwischen den optischen Körpern. Die weiteren Streupartikel sind insbesondere homogen verteilt. Die optischen Körper weisen eine größere Masse auf als die weiteren Streupartikel, jedoch mit einer geringeren Dichte, und sedimentieren beispielsweise in dem Reflexionselement. Die weiteren Streupartikel weisen beispielsweise eine relativ hohe Dichte mit einer geringen Masse auf und somit ist eine Sedimentation verlangsamt. Weiterhin weisen die optischen Körper bevorzugt eine Hülle auf, um somit das Eindringen von Vergussmaterial zu verhindern.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens werden die vereinzelten optischen Körper vor dem Einbringen in das Vergussmaterial ausgeheizt. Somit werden organische Reste aus dem Lösungsmittel und/oder Wasser aus den Poren entfernt.
Eine Idee des vorliegenden optischen Körpers ist es, durch die Herstellung von Poren eine erhöhte Brechungsindexdifferenz in dem optischen Körper zu erzielen. Dies führt mit Vorteil zu einer verbesserten Reflektivität von elektromagnetischer Strahlung. Je höher die Reflexionsfähigkeit ist, desto geringer sind die Verluste an elektromagnetischer Strahlung im Bauelement. Weiterhin weist der optische Körper im Vergleich zu einem TiO₂-Partikel eine größere Masse auf und ermöglicht die Sedimentation von weißen Reflexionsschichten im Reflexionselement.
Außerdem ist die Eindringtiefe von elektromagnetischer Strahlung in das Reflexionselement relativ gering. Das bedeutet, dass das Reflexionsvermögen des Reflexionselements auch bei einer geringen Dicke des Reflexionselements hoch ist. Somit kann das Reflexionselement vorteilhaft in Geräten oder Komponenten eingesetzt werden, die eine geringe Größe erfordern.
Darüber hinaus hat das Reflexionselement eine verbesserte Wärmeleitfähigkeit. Somit kann das Reflexionselement als Kühlkörper oder Teil eines Kühlkörpers fungieren.
Es hat sich weiterhin gezeigt, dass das Reflexionselement eine hohe thermische Robustheit aufweist. Daher ist das Reflexionselement bei hohen Temperaturen stabil, die beispielsweise im Betrieb eines Bauelements auftreten können. Das Reflexionselement weist einen niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf und somit können thermische Spannungen im Bauelement oder Reflexionselement reduziert sein.
Das Reflexionselement wird beispielsweise um den Rand von Konversionsschichten bei Scheinwerfer-LEDs verwendet.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen des optischen Körpers, Reflexionselements und Bauelements und des Verfahrens zur Herstellung eines optischen Körpers und des Verfahrens zur Herstellung eines Reflexionselements ergeben sich aus den im Folgenden in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Ausführungsbeispielen.
Es zeigen:

1 eine schematische Schnittdarstellung eines optischen Körpers gemäß einem Ausführungsbeispiel,
2 und 3 jeweils eine schematische Schnittdarstellung eines Beispiels eines Reflexionselements ohne optische Körper,
4 eine schematische Schnittdarstellung eines Reflexionselements gemäß einem Ausführungsbeispiel,
5 und 6 jeweils einen Ausschnitt einer schematischen Schnittdarstellung eines optoelektronischen Bauelements gemäß jeweils einem Ausführungsbeispiel,
7 schematische Schnittdarstellung verschiedener Verfahrensstadien eines Verfahrens zur Herstellung eines optischen Körpers gemäß einem Ausführungsbeispiel, und
8 eine schematische Schnittdarstellung verschiedener Verfahrensstadien eines Verfahrens zur Herstellung eines Reflexionselements 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, zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein.
Der optische Körper 1 gemäß dem Ausführungsbeispiel der 1 weist ein Matrixmaterial 2 mit einem Brechungsindex kleiner gleich 1,5, eine Vielzahl an Streupartikeln 3 mit einem Brechungsindex von größer gleich 2,0 und eine Vielzahl von Poren 4, die mit einem Gas gefüllt sind, auf. Wenigstens 30 Vol.-% am Gesamtvolumen des optischen Körpers 1 sind Poren 4. Die Poren 4 weisen einen Durchmesser zwischen zumindest 10 Nanometer und höchstens 30 Nanometer auf. Die Poren 4 sind zum Beispiel mit Luft gefüllt. Dies ist jedoch abhängig von dem Verfahren. Das Matrixmaterial 2 ist nicht wasserlöslich und wird über ein Sol-Gel-Verfahren hergestellt. Das Matrixmaterial 2 ist aus einer Gruppe ausgewählt die MgF₂, SiO₂ und Kombinationen daraus umfasst.
Die Streupartikel 3 sind TiO₂-Partikel. Die TiO₂-Partikel weisen einen Brechungsindex von 2,5 auf. Die Streupartikel 3 machen wenigstens 5 Vol.-% bis höchstens 20 Vol.-% am Gesamtvolumen des optischen Körpers 1 aus. Ein mittlerer Partikeldurchmesser der Streupartikel 3 liegt zwischen zumindest 100 Nanometer und höchstens 250 Nanometer.
Beispielsweise ist der optische Körper 1 kugelförmig oder kugelartig ausgebildet und weist einen Durchmesser zwischen zumindest 3 Mikrometer und höchstens 5 Mikrometer auf.
Weiterhin können die Streupartikel 3 verkapselt vorliegen. Als Verkapselungsmaterial wird bevorzugt Al₂O₃ oder MgF₂ verwendet. Dies schützt die Streupartikel 3 vor Umwelteinflüssen und Säuren.
In der 2 ist ein erstes Reflexionselement 11 ohne einen hier beschriebenen optischen Körper dargestellt. Das erste Reflexionselement 11 weist SiO₂-Partikel 10, ein Vergussmaterial 6 und weitere Streupartikel 19 auf. Das erste Reflexionselement 11 ist auf einem Träger 9, bevorzugt ein Kupferleiterrahmen oder eine Kupferleiterplatte, aufgebracht. Das Vergussmaterial 6 weist hierbei bevorzugt ein Epoxid auf. Die großen SiO₂-Partikel 10 und das Vergussmaterial 6 weisen nahezu den gleichen Brechungsindex auf. Somit trägt das erste Reflexionselement 11 kaum zur Streuung bei und die elektromagnetische Strahlung eines Halbleiterchips 8 oder externes Licht geht nahezu gerade durch das erste Reflexionselement 11. Das erste Reflexionselement 11 weist somit eine relativ schwache Streuung und somit eine große Eindringtiefe von elektromagnetischer Strahlung auf. Weiterhin kann die elektromagnetische Strahlung an dem Träger 9 absorbiert werden. Dies führt zu einer nachteiligen Lichtauskopplung aus dem Bauelement 7.
Die 3 weist ebenso wie die 2 ein erstes Reflexionselement 11 ohne hier beschriebene optische Körper auf. Im Unterschied zu der 2 weist das erste Reflexionselement 11 der 3 Glaspartikel 12 anstatt SiO₂-Partikel 10 auf. Die Glaspartikel 12 weisen unter anderem Streupartikel 3 auf. Der Brechungsindex von Glas liegt bei 1,5 und somit ist die Reflektivität der Glaspartikel 12 relativ gering. Weiterhin ist der Ausdehnungskoeffizient des ersten Reflexionselements 11 mit Glaspartikeln 12 relativ niedrig.
Das Reflexionselement 5 der 4 weist anstatt den Glaspartikeln 12 des ersten Reflexionselements 11 der 3 oder den SiO₂-Partikel 10 des zweiten Reflexionselements 11 der 2 beschriebene optische Körper 1 auf. Weiterhin weist das Reflexionselement 5 weitere Streupartikel 19 und ein Vergussmaterial 6 auf. Das Vergussmaterial 6 ist aus einer Gruppe ausgewählt, die Epoxid, Silikon, Hybridmaterial und Kombinationen daraus umfasst. Der Anteil der weiteren Streupartikeln 19 liegt zwischen zumindest 5 Vol.-% und höchstens 10 Vol.-% am Gesamtvolumen des Reflexionselements 5. Der Anteil der optischen Körper 1 macht zwischen zumindest 40 Vol.-% und höchstens 80 Vol.-% am Gesamtvolumen des Reflexionselements 5 aus. Die hohe Brechungsindexdifferenz zwischen dem Vergussmaterial 6 und den weiteren Streupartikeln 19 sowie in den optischen Körpern 1 führt zu einer erhöhten Reflektivität, welche zu einer geringen Transmission beziehungsweise Absorption an dem Träger 9 führt. Die Eindringtiefe der elektromagnetischen Strahlung ist mit Vorteil sehr gering.
In der 5 ist ein Bauelement 7 dargestellt. Das Bauelement 7 weist einen Halbleiterchip 8, der im Betrieb elektromagnetische Strahlung eines ersten Wellenlängenbereichs emittiert, und ein hier beschriebenes Reflexionselement 5 auf. Das Reflexionselement 5 befindet sich bevorzugt auf dem Träger 9. Der Träger 9 trägt unter anderem zur mechanischen Stabilität des Bauelements 7 bei. Der Halbleiterchip 8 ist mit elektrischen Kontaktierungen 13, beispielsweise Bonddrähten, mit dem Träger 9 verbunden. Der Halbleiterchip 8 ist bevorzugt in einem Verguss 15 eingebettet. Durch das Reflexionselement 5 wird bevorzugt verhindert, dass die elektromagnetische Strahlung des Halbleiterchips 8 oder externes Licht auf den Träger 9 auftrifft und von dem Träger 9 absorbiert wird.
6 zeigt ein Bauelement 7 gemäß einem Ausführungsbeispiel, bei dem auf den Halbleiterchip 8 und auf dem Träger 9 ein Konversionselement 14 angeordnet ist. Zwischen dem Konversionselement 14 und dem Träger 9 ist bevorzugt das Reflexionselement 5 aufgetragen. Somit wird die Lichtauskopplung des Halbleiterchips 8 verbessert.
Das Reflexionselement 5 kann sich zusätzlich neben dem Halbleiterchip 8 und dem Konversionselement 14 befinden. Das Konversionselement 14 ist dazu eingerichtet, elektromagnetische Strahlung des ersten Wellenlängenbereichs in elektromagnetische Strahlung eines zweiten Wellenlängenbereichs umzuwandeln. In dem Konversionselement 14 sind keramische Leuchtstoffe, Quantenpunkte und/oder organische Leuchtstoffe eingebettet.
In der 7 ist ein Verfahren zur Herstellung des optischen Körpers 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel dargestellt. Zunächst wird eine Ausgangsverbindung 17 bereitgestellt. Zu der Ausgangsverbindung 17 wird eine Säure in einem Lösungsmittel 18 hinzugegeben. Bevorzugt ist die Säure eine fluorierte Säure, eine sauerstoffhaltige Säure und/oder Salzsäure. Weiterhin wird eine Vielzahl an Streupartikeln 3 hinzugegeben. Anschließend wird das gebildete Gemisch zu einem optischen Körper 1 mit Poren 4 ausgehärtet. Als Ausgangsverbindung 17 wird beispielsweise MgCl₂, Mg, Mg(OAc)₂, Mg(OAc)₂ * 4H₂O, Mg(OEt)₂, Mg(OMe)₂ verwendet. Als Säure kann beispielsweise NaF, NH₄F, HF, HCl oder eine Kombination verwendet werden. Die Säuren sind in einem Lösungsmittel wie Ethanol oder Methanol gelöst. Das entstandene Gemisch wird dann bei einer Temperatur T zwischen 100 °C und 250 °C unter Vakuum erhitzt und es wird ein ausgehärteter optischer Körper 1 mit MgF₂ als Matrixmaterial erzielt. Der optische Körper 1 kann als Schicht ausgeformt sein. Weiterhin werden die Streupartikel 3 als verkapselte Streupartikel 3 eingebracht. Somit sind diese gegenüber den sauren Bedingungen im Verfahren geschützt.
In der 8 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Reflexionselements 5 gemäß einem Ausführungsbeispiel dargestellt. Die optischen Körper 1 des vorherigen Verfahrens werden zu einer Vielzahl optischer Körper 1 vereinzelt, insbesondere zermahlen. Die Vielzahl der optischen Körper 1 wird nach der Größe, beispielsweise dem Durchmesser der vereinzelten optischen Körper, mit Hilfe eines Siebs sortiert. In einem nächsten Schritt wird ein Vergussmaterial 6 bereitgestellt und die Vielzahl der optischen Körper 1 wird mit einer vorgebbaren Größe hinzugegeben. Weiter werden eine Vielzahl an weiteren Streupartikeln 19 in das Vergussmaterial 6 eingebracht. Somit wird ein Reflexionselement 5 erzielt. Durch die gezielte Einstellung von den unterschiedlichen Größen der optischen Körper 1 kann eine unterschiedliche Dichte und somit ein unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizient erzielt werden. Weiterhin werden die vereinzelten optischen Körper 1 vor dem Einbringen in das Vergussmaterial 6 ausgeheizt. Somit wird verhindert, dass organische Reste und Lösungsmittel in den optischen Körpern 1 enthalten sind und somit kann der Brechungsindex gezielt eingestellt werden ohne durch organische Reste und Lösungsmittel beeinflusst zu werden. Weiterhin kann der optische Körper 1 eine Hülle aufweisen, um somit die Poren 4 in dem optischen Körper 1 zu schützen, damit kein Vergussmaterial 6 des Reflexionselements 5 in die Poren 4 gelangen kann, um dann den Brechungsindex zu verändern.
Die in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Merkmale und Ausführungsbeispiele können gemäß weiteren Ausführungsbeispielen miteinander kombiniert werden, auch wenn nicht alle Kombinationen explizit beschrieben sind. Weiterhin können die in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Ausführungsbeispiele alternativ oder zusätzlich weitere Merkmale gemäß der Beschreibung im allgemeinen Teil aufweisen.
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: optischer Körper
2: Matrixmaterial
3: Streupartikel
4: Poren
5: Reflexionselement
6: Vergussmaterial
7: Bauelement
8: Halbleiterchip
9: Träger
10: SiO₂-Partikel
11: erstes Reflexionselement
12: Glaspartikel
13: elektrische Kontaktierung
14: Konversionselement
15: Verguss
17: Ausgangsverbindung
18: Säure in einem Lösungsmittel
19: weitere Streupartikel
T: Temperatur

Claims

Optischer Körper (1) aufweisend - ein Matrixmaterial (2) mit einem Brechungsindex kleiner gleich 1,5; - eine Vielzahl an Streupartikeln (3) mit einem Brechungsindex von größer gleich 2,0; und - eine Vielzahl von Poren (4), die mit einem Gas gefüllt sind.
Optischer Körper (1) nach dem vorherigen Anspruch, bei dem die Poren (4) wenigstens 30 Vol.-% am Gesamtvolumen des optischen Körpers (1) ausmachen.
Optischer Körper (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem die Poren (4) einen mittleren Durchmesser zwischen zumindest 10 Nanometer und höchstens 30 Nanometer aufweisen.
Optischer Körper (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem das Matrixmaterial (2) über ein Sol-Gel Verfahren hergestellt ist.
Optischer Körper (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem das Matrixmaterial (2) nicht wasserlöslich ist.
Optischer Körper (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem das Matrixmaterial (2) aus einer Gruppe ausgewählt ist, die MgF₂, SiO₂ und Kombinationen daraus aufweist.
Optischer Körper (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem die Streupartikel (3) TiO₂-Partikel sind.
Optischer Körper (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem die Streupartikel (3) wenigstens 5 Vol.-% bis höchstens 20 Vol.-% am Gesamtvolumen des optischen Körpers (1) ausmachen.
Optischer Körper (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem die Streupartikel (3) einen mittleren Partikeldurchmesser zwischen zumindest 100 Nanometer und höchstens 250 Nanometer aufweisen.
Optischer Körper (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem der optische Körper (1) kugelförmig oder kugelartig ausgebildet ist und einen mittleren Durchmesser zwischen zumindest 3 Mikrometer und höchstens 50 Mikrometer aufweist.
Optischer Körper (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem die Streupartikel (3) verkapselt sind.
Reflexionselement (5) aufweisend ein Vergussmaterial (6), in das eine Vielzahl weiterer Streupartikel (19) und eine Vielzahl von optischen Körpern (1), nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche eingebettet, sind.
Reflexionselement (5) nach dem vorherigen Anspruch, bei dem das Vergussmaterial (6) aus einer Gruppe ausgewählt ist, die Epoxid, Silikon, Hybridmaterial und Kombinationen daraus umfasst.
Reflexionselement (5) nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem der Anteil der weiteren Streupartikel (19) zwischen zumindest 5 Vol.-% und höchstens 10 Vol.-% am Gesamtvolumen des Reflexionselements (5) ausmacht, und bei dem der Anteil der optischen Körper (1) zwischen zumindest 40 Vol.-% und höchstens 80 Vol.-% am Gesamtvolumen des Reflexionselements (5) ausmacht.
Reflexionselement (5) nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem der optische Körper (1) eingehüllt vorliegt.
Bauelement (7) aufweisend - einen Halbleiterchip (8), der im Betrieb elektromagnetische Strahlung eines ersten Wellenlängenbereichs emittiert, - ein Reflexionselement (5) nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche.
Verfahren zur Herstellung eines optischen Körpers (1) mit den Schritten: - Bereitstellen einer Ausgangsverbindung (17), - Hinzugabe einer Säure, - Hinzugabe einer Vielzahl an Streupartikeln (3), - Aushärten zu einem optischen Körper (1).
Verfahren zur Herstellung eines Reflexionselements (5) mit den Schritten: - Vereinzeln, insbesondere Zermahlen, des gemäß des vorherigen Anspruchs hergestellten optischen Körpers (1) zu einer Vielzahl optischer Körper (1), - Sortieren der Vielzahl optischer Körper (1) nach der Größe, - Bereitstellen eines Vergussmaterials (6), - Einbetten von einer Vielzahl an weiteren Streupartikeln (19) in das Vergussmaterial (6), - Einbetten von einer Vielzahl der optischen Körper (1), einer vorgebbaren Größe, in das Vergussmaterial (6).
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die vereinzelten optischen Körper (1) vor dem Einbringen in das Vergussmaterial (6) ausgeheizt werden.