DE112013002930B4

DE112013002930B4 - Optoelektronisches Halbleiterbauelement

Info

Publication number: DE112013002930B4
Application number: DE112013002930.8T
Authority: DE
Inventors: Angela Eberhardt; Christina Wille; Florian Peskoller
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2012-06-15
Filing date: 2013-06-14
Publication date: 2023-03-23
Anticipated expiration: 2033-06-15
Also published as: DE112013002930A5; WO2013186365A1; JP6178413B2; US20150123156A1; CN104365181A; DE102012210083A1; JP2015521791A; US10297729B2; CN104365181B

Abstract

Optoelektronisches Halbleiterbauelement (19, 35) mit einer Lichtquelle (2, 20, 36), die primäre Strahlung emittiert, einem Gehäuse (26) und elektrischen Anschlüssen (21, 22), wobei- dem optoelektronischen Halbleiterbauelement (19, 35) ein Konversionselement (37) auf Basis einer Matrix sowie mindestens zwei Leuchtstoffen (38, 138) vorgeschaltet ist,- die Matrix Metallphosphat beinhaltet,- die Leuchtstoffe (38, 138) primäre Strahlung teilweise oder vollständig konvertieren,- mindestens ein erstes Leuchtstoffpulver (38) in einer ersten anorganischen Matrix (5, 31, 39) auf Basis eines Metallphosphats eingebettet und fixiert ist, wobei das Metallphosphat in Kombination mit dem ersten Leuchtstoffpulver (38) eine Aushärtungstemperatur von höchstens 400°C aufweist,- mindestens ein zweites Leuchtstoffpulver (138) in einer zweiten Matrix (6, 32, 139) auf Basis eines Metallphosphats eingebettet und fixiert ist, wobei das Metallphosphat in Kombination mit dem zweiten Leuchtstoffpulver (138) eine Aushärtungstemperatur von höchstens 400°C aufweist, und- die zweite Matrix (6, 32) über der ersten Matrix (5, 31) angeordnet ist und die erste mit Leuchtstoff beaufschlagte Matrixschicht (5, 31, 39) und weitere mit Leuchtstoff beaufschlagte Matrixschichten (6, 32, 33, 139) direkt aufeinanderfolgen ohne sich zu vermischen.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung geht aus von einem optoelektronischen Halbleiterbauelement gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Stand der Technik
Die Druckschriften DE 10 11 8630 A1 und DE 10 15 9544 A1 offenbaren LEDs mit Glasbauteilen. Die US 5 965 469 A offenbart ein Phosphatglas, das als Kleber verwendet wird.
Die Druckschrift DE 10 2010 028 776 A1 offenbart Metallphosphate als Matrix für Konversionselemente, wobei in einer Schicht auch mehrere Leuchtstoffe enthalten sein können.
Die Druckschrift EP 0 139 997 A2 betrifft ein basisches Aluminiumphosphat-Gel.
Die gattungsgemäßen Druckschriften WO 2011/ 138 169 A1 und WO 2012 / 045 772 A1 offenbaren optoelektronische Halbleiterbauelemente.
Darstellung der Erfindung
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, bei einem optoelektronischen Halbleiterbauelement wie beispielsweise einer LED oder einer Laserdiode gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 eine besonders effiziente, temperatur- und witterungsbeständige Lösung für ein Konversionselement mit mindestens zwei Leuchtstoffen anzugeben.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1.
Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.
Die vorliegende Erfindung löst das Problem eine LED oder Laserdiode oder auch ein anderes optoelektronisches Halbleiterbauelement anzugeben, das auch bei hoher Leistungsdichte noch temperatur- und witterungsbeständig ist. Dies erhöht die Lebensdauer von derartigen Bauelementen. Eine Effizienzerhöhung ergibt sich, wenn gleichzeitig auch die Wärmeableitung im Konversionselement verbessert wird, da der Leuchtstoff dann im Betrieb weniger durch Temperatur geschädigt wird. Letzteres ist umso deutlicher ausgeprägt, je höher die Leistungsdichte und je größer die durch die Konversion entstehende Wärme durch die sog. Stokes-Verschiebung ist. Zusätzlich wird bei Konversionselementen mit mindestens zwei Leuchtstoffen in der Regel auch Effizienz durch Remission eingebüßt. Im Folgenden wird exemplarisch meist eine LED als Demonstrationsobjekt herangezogen.
Organische Komponenten als den Leuchtstoff umgebende Matrix haben typisch eine schlechte Wärmeleitfähigkeit und sind temperaturempfindlich. Für die CLC-Konversion wird oftmals Silikon eingesetzt, das der Regel einer Dauerbelastung von ca. 160°C und bei einer kurzfristigen Belastung (wenige Sekunden) von ca. 300°C Stand hält. Die Temperaturbelastbarkeit von Polycarbonat, das oft als Matrix für Remote-Anwendungen eingesetzt wird, ist eher noch niedriger und führt ggf. zu Verformungen. Da die LEDs immer leistungsstärker werden, reichen diese Temperaturbeständigkeiten bald nicht mehr aus. Um zu vermeiden, dass sich bei hoher Belastung die Effizienz, aufgrund einer Verfärbung der Matrix oder einer Schädigung des Leuchtstoffs durch die ungenügende Wärmeableitung verringert, bedarf es anderer Matrix-Materialien. Dies sind bekannter Weise anorganische Materialien wie Glas, Keramik bzw. eine Mischung davon. Gleichzeitig kann die Effizienz der LED nochmals verbessert werden, indem die Remission verringert wird. Dies wird dadurch gelöst, indem die verschiedenen Leuchtstoffe nicht als Mischung in einer Matrix vorliegen, sondern voneinander getrennt.
Das optoelektronische Halbleiterbauelement weist eine Lichtquelle, die primäre Strahlung emittiert, ein Gehäuse und elektrische Anschlüsse auf, wobei dem optoelektronischen Halbleiterbauelement ein Konversionselement auf Basis einer Matrix sowie mindestens zwei Leuchtstoffen vorgeschaltet ist, die Matrix Metallphosphat beinhaltet, die Leuchtstoffe primäre Strahlung teilweise oder vollständig konvertieren, mindestens ein erstes Leuchtstoffpulver in einer ersten anorganischen Matrix auf Basis eines Metallphosphats eingebettet und fixiert ist, wobei das Metallphosphat in Kombination mit dem ersten Leuchtstoffpulver eine Aushärtungstemperatur von höchstens 400°C aufweist, mindestens ein zweites Leuchtstoffpulver in einer zweiten Matrix auf Basis eines Metallphosphats eingebettet und fixiert ist, wobei das Metallphosphat in Kombination mit dem zweiten Leuchtstoffpulver eine Aushärtungstemperatur von höchstens 400°C aufweist, und die zweite Matrix über der ersten Matrix angeordnet ist und die erste mit Leuchtstoff beaufschlagte Matrixschicht und weitere mit Leuchtstoff beaufschlagte Matrixschichten direkt aufeinanderfolgen ohne sich zu vermischen.
Erfindungsgemäß wird dies dadurch gelöst indem man mindestens ein Metallphosphat als Matrix verwendet für mindestens einen Leuchtstoff, bzw. es werden unterschiedliche Komponenten aus Metallphosphat verwendet. Über diesem Konversionselement schließt ein weiteres Konversionselement direkt an, das aus der gleichen oder einer unterschiedlichen Metallphosphat-Matrix bzw. unterschiedlichen Komponenten aus Metallphosphat besteht, in die ein anderer Leuchtstoff eingebettet ist. Dadurch wird die Remission verringert und gleichzeitig eine verbesserte Wärmeleitfähigkeit sowie eine bessere Temperatur- und Witterungsbeständigkeit des Konversionselementes erreicht. Die Metallphosphat-Matrix bildet sich durch Kondensation (chemische Abbindung) einer Metallphosphatlösung. Mit zunehmender Temperatur schreitet die Vernetzung immer weiter fort, wodurch die Viskosität der Metallphosphat-Matrix zunimmt. Das in die Metallphosphat-Lösung zugegebene Leuchtstoffpulver wird von dieser bereits bei Raumtemperatur benetzt und dann bei Temperaturerhöhung von der kondensierenden Matrix umschlossen. Im Unterschied dazu muss ein Metallphosphatglas, das über ein Gemenge erschmolzen wurde, durch steigende Temperatur erst so weit erweicht werden, dass es niederviskos genug ist, um das Leuchtstoffpulver zu benetzen und zu umschließen. Dies erfordert bei vergleichbarer Zusammensetzung in der Regel deutlich höhere Temperaturen als eine Einbettung über Kondensation einer Metallphosphatlösung und kann den Leuchtstoff bereits schädigen, insbesondere nitridische Leuchtstoffe, die meist bei Temperaturen oberhalb von 350°C schon deutlich an Effizienz verlieren. Der Begriff Metallphosphat steht deshalb im weiteren Textverlauf für die kondensierende bzw. kondensierte Matrix bzw. deren Ausgangslösung.
Das Metallphosphat ist vorzugsweise bleifrei. In einer besonderen Ausgestaltung ist das kondensierte Metallphosphat auch farblos und amorph bzw. überwiegend amorph, transparent im UV-VIS und im wesentlichen auch alkali- und halogenfrei. Idealerweise ist die kondensierte Matrix zusätzlich auch blasenarm. Amorph bzw. überwiegend amorph bedeutet, dass die Matrix selbst keine bzw. max. 25 Vol-%, idealerweise max. 10 Vol-% an kristallinen Phasenanteilen besitzt. Das eingebettete kristalline Leuchtstoffpulver ist hiervon ausgenommen.
Dem Metallphosphat können Zusatzstoffe und/oder strahlungsabsorbierende Elemente und/oder den Brechungsindex verändernde Komponenten zugesetzt sein. Diese Komponenten sind vorzugsweise anorganisch. Bei dem Metallphosphat kann es sich beispielsweise um Aluminiumphosphat, Yttriumphosphat, Erdalkaliphosphat, Phosphate der III. Hauptgruppe sowie der Nebengruppen oder auch um andere Seltenerdphosphate oder aber Mischungen daraus handeln. Dem Phosphat können insbesondere auch Zusatzstoffe, wie SiO₂, z.B. in Form von Aerosil, pyrogenes Al₂O₃ oder TiO₂ etc. zugesetzt sein. Bevorzugt werden diese Zusatzstoffe als Nano-Pulver zugesetzt, insbesondere ist ihre mittlere Partikelgröße im Bereich 1 bis 40 nm angesiedelt. Auch gemahlene Gläser, wie beispielsweise Hartgläser oder gemahlenes Glaslot kann zugesetzt sein. Diese Zusätze können ggf. die Wärmeleitfähigkeit nochmals erhöhen, als Reflektor oder Streumittel dienen, oder auch den thermischen Ausdehnungskoeffizienten anpassen. Bevorzugt werden jedoch nur Zusätze verwendet, die keine oder keine wesentlichen Anteile an Strahlung absorbieren, da dies die Effizienz verringern würde.
Weitere Komponenten dienen gezielt dazu, den Brechungsindex zu verändern, insbesondere Tellur- oder Bismut-haltige Verbindungen. Das kondensierte Metallphosphat ist anorganisch, optisch stabil und feuchtebeständig, und wird bevorzugt bei niedrigen Temperaturen hergestellt. Deshalb ist dieses Metallphosphat zur Einbettung von Leuchtstoffen geeignet, also als Matrix für ein Konversionselement. Der Anteil an Zusatzstoffen kann so hoch sein, dass das kondensierte Metallphosphat vornehmlich als Bindemittel dient.
Die Anwendung von Konversionselementen mit derartigen Metallphosphaten führt zu gesteigerter Effizienz und erhöhter Lebensdauer. Dazu wird bevorzugt mindestens eine Komponente aus Metallphosphat verwendet, ggf. mit Zusatzstoffen die streuend oder den Brechungsindex verändernd sind. Damit wird eine Erhöhung der thermischen Leitfähigkeit, eine Verbesserung der Temperaturstabilität sowie ggf. ein erhöhter Brechungsindex erzielt. Damit lässt sich eine ideale Anpassung als Matrix für den darin eingebetteten Leuchtstoff erreichen. Der Leuchtstoff kann mit einer solchen Matrix direkt auf verschiedene Unterlagen (Chip, Glas, Keramik, diverse Metalle u.a.) aufgebracht werden ohne einen zusätzlichen Kleber zu verwenden, was einen Vorteil gegenüber Konversionskeramiken darstellt, die ebenfalls temperatur- und witterungsbeständig sind und eine gute Wärmeleitfähigkeit besitzen.
Ein Teil oder auch alle zugegebenen Komponenten können derart ausgewählt sein, dass sie mit dem Metallphosphat chemisch reagieren und es dadurch modifizieren.
Figurenliste
Im Folgenden soll die Erfindung anhand von mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Die Figuren zeigen:

1 eine LED mit vertikal geschichtetem Konversionselement;
2 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer LED mit vertikal geschichtetem Konversionselement;
3 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer LED mit vertikal geschichtetem Konversionselement;
4 ein Beispiel einer LED mit horizontal geschichtetem Konversionselement;
5 ein weiteres Beispiel eines Halbleiter-Bauelements in Draufsicht.

Bevorzugte Ausführung der Erfindung
1 zeigt ein optoelektronisches Halbleiter-Bauelement 19 im Schnitt. Kernstück ist ein primär im UV emittierender Chip 20, der mit elektrischen Anschlüssen 21, 22 verbunden ist, die als Leiterrahmenteile ausgebildet sind. Eines der Teile ist über einen Bonddraht 23 mit dem Chip verbunden. Der Chip 20 sitzt direkt auf einem breiten ersten Anschluss 21, der auf der Oberfläche eines rechteckigen Grundkörpers oder Substrats 25 aus Glas (bevorzugt Quarz-, Hart-, Weichglas oder Glaslot) oder aus Keramik angeordnet ist. Auf dem Grundkörper ist ein ringförmiger Aufsatz 26 aufgesetzt, der eine Ausnehmung in seinem Innern frei lässt. Die innere schräge Wand 27 des Aufsatzes ist als Reflektor geformt. Der Aufsatz ist mit dem Grundkörper und dem Leiterrahmen, der von den Anschlüssen gebildet wird, durch einen Kleber 30 verbunden. Der Aufsatz 26 ist ebenfalls aus Glas gefertigt.
Die Ausnehmung innerhalb des Reflektors weist ein Konversionselement auf. Zu diesem Zweck ist die Ausnehmung mit einer ersten Schicht 31 auf Basis einer Matrix aus Metallphosphat 31 gefüllt, die einen ersten konvertierenden Leuchtstoff einschließt. Über der ersten Schicht ist eine zweite Schicht 32 und eine dritte Schicht 33 auf Basis eines Metallphosphats angeordnet, die jeweils zweite und dritte Leuchtstoffe enthalten.
Die LED ist insbesondere mit einer Abdeckscheibe (nicht dargestellt) abgeschlossen und somit hermetisch versiegelt. Bevorzugt wird ein Metallphosphat verwendet, das höchstens 1 Mol.-% an Oxiden von Alkali- und Halogenelementen enthält. Das Konversionselement weist allgemein gesprochen jeweils eine dünne Schicht auf, die als Matrix kondensiertes Metallphosphat besitzt. Darin eingebettet sind ein oder mehrere Leuchtstoffe, wie an sich bekannt. Typische Leuchtstoffe sind YAG:Ce, Sione, Nitride oder auch Orthosilikate oder Calsine. Sie dienen insbesondere dazu, mit Hilfe eines blau oder UV emittierenden Chips weißes Licht zu erzeugen. In einer besonderen Ausführungsform sind die Leuchtstoffpartikel durch das kondensierte Metallphosphat nur miteinander verklebt (Verklebung) oder von diesem umschlossen (Schutzschicht). In letzterem Fall können die so passivierten Leuchtstoffpartikel auch in einer anderen kondensierten Metallphosphat-Matrix vorliegen.
Gemäß 2 kann das Konversionselement als sog. Dünnschichtelement direkt auf den Chip 2 appliziert sein. Dabei ist eine erste Schicht 5 eines Metallphosphats, in das rot emittierendes Nitrid vom Typ M2Si5N8:Eu eingebettet ist, direkt auf den Chip 2 appliziert. Eine zweite Schicht 6, die auf die erste Schicht folgt, hat eine gleichartige Matrix dieses Metallphosphats und dort ist ein grün emittierender Granat A₃B₅O₁₂:Eu als Leuchtstoff eingebettet. A ist bevorzugt Y oder Lu allein oder in Kombination, B ist bevorzugt Al oder Ga allein oder in Kombination.
Das Metallphosphat ist alkali- und halogenarm. Bevorzugt ist es alkali- und halogenfrei. Das heißt, dass diese Elemente nicht bewusst zugegeben werden und allenfalls von Verunreinigungen der eingesetzten Vormaterialien herrühren. Die Konzentrationen an Alkalimetallen und Halogenen sind deshalb unwesentlich und liegen jeweils unter 1 Mol-%. Dadurch werden ionenbehaftete Komponenten reduziert oder ganz vermieden. Insbesondere gilt dies für ionenbildende Elemente wie Na, Cl, K und F. Diese können nämlich bei Feuchte in die LED gelangen, dadurch die Kontakte angreifen und auch die Ladungsdichten am Chip beeinträchtigen.
3 zeigt ein optoelektronisches Halbleiter-Bauelement 35 mit zum Chip 36 beabstandeten Konversionselement 37 aus zwei Schichten gemäß dem Remote-Phosphor-Konzept. Der erste Leuchtstoff 38 (schematisch) ist hier in einer ersten Metallphosphat-Matrix 39 als erste Schicht eingebettet bzw. von dieser umschlossen. Der zweite Leuchtstoff 138 (schematisch) ist hier in einer zweiten Metallphosphat-Matrix 139 als zweite Schicht eingebettet bzw. von dieser umschlossen. Beide Matrizen sind dem jeweiligen Leuchtstoff angepasst. Daher ist ihr Matrix-Material voneinander verschieden, beispielsweise was den Gehalt an Al₂O₃ betrifft oder einen möglichen Zusatz an Y₂O₃.
Das Konversionselement 37 weist außerdem ein Substrat 40 auf. Die Leuchtstoffe 38 und 138 sind vorzugsweise dem Chip 36 zugewandt und daher in Strahlrichtung vor dem Substrat angeordnet. Das Substrat 40 ist transparent, beispielsweise aus Glas. Vorzugsweise homogenisiert das Konversionselement 37, bestehend aus Konversionsschichten und Substrat, die Abstrahlung der sekundären Strahlung. Hierfür kann die leuchtstofffreie Seite 41 des Substrats zusätzlich aufgeraut werden. Zusätzlich können die Leuchtstoffe 38 und/oder 138 in horizontaler Richtung gezielt inhomogen aufgebracht sein, so dass eine gute Farbhomogenität über alle Winkel gewährleistet und der Leuchtstoff optimal ausgenutzt wird. Die hier beschriebene Remote-Phosphor-Lösung ist auch dann anwendbar, wenn die Strahlung mehrerer Chips gemeinsam konvertiert werden soll. In letzterem Fall können auch leuchtstofffreie Stellen auf dem Substrat vorhanden sein.
4 zeigt ein Beispiel einer LED mit horizontaler Schichtung des Konversionselements. Dabei ist das Konversionselement direkt auf den Chip 2 aufgebracht. Es weist mindestens zwei und bevorzugt bis zu vier verschiedenartige Streifen an Schichten auf. Eine erste Art Schicht 8 ist ein Metallphosphat, dem ein Nitrid als Leuchtstoff zugemischt ist. Eine zweite Art Schicht 9 ist ein Metallphosphat, dem ein Granat als Leuchtstoff zugemischt ist. Die horizontale Anordnung kann streifenartig sein oder auch schachbrettartig wie ein Gitter, siehe 5 in Draufsicht, oder auch rautenförmig wie ein Jägerzaun.
Die Herstellung derartiger Metallphosphate erfolgt über das bekannte Sol-Gel-Verfahren aus einem löslichen Metallphosphat oder aus dem Reaktionsprodukt von einem Alkoxid mit Phosphorsäure oder aus dem Reaktionsprodukt von Metallsalz oder Metallhydroxid mit Phosphorsäure. Das Lösemittel wird zunächst durch Trocknung entfernt. Durch eine anschließende Behandlung bei höheren Temperaturen werden Wasser bzw. kohlenstoffhaltige Komponenten abgespalten und das Metallphosphat liegt dann in polymerisierter Form vor.
Bevorzugt wird Aluminium-, Yttrium- oder auch eines der eingangs genannten Metallphosphate der anderen Seltenerdphosphate verwendet, weil derartige Phosphate eine hohe Temperatur- und eine gute Feuchtebeständigkeit aufweisen. Bei der Einbettung von Leuchtstoff ist es wichtig, dass dieser nicht durch eine chemische Reaktion mit der Lösung oder entstehenden Reaktionsprodukten bzw. durch zu hohe Temperaturen geschädigt wird.
Das Metallphosphat kann in amorpher, teilkristalliner oder kristalliner Form vorliegen. Bevorzugt ist es überwiegend amorph.
Das vorgestellte System aus mindestens zwei Schichten von kondensiertem Metallphosphat dient dabei jeweils als anorganische Matrix eines Konversionselements, in das jeweils das Pulver von mindestens einem Leuchtstoff eingebettet ist, insbesondere direkt auf dem Chip oder als Remote-Phosphor-Konzept. Die kondensierte Metallphosphat-Matrix ist bevorzugt farblos und amorph bzw. überwiegend amorph, mit guter Transmission im UV bis hin zum sichtbaren Spektralbereich.
Das hier vorgestellte Konversionselement aus mindestens zwei Schichten mit einer Matrix aus kondensiertem Metallphosphat verringert die Remission und ermöglicht zudem eine einfachere Prozessführung durch eine getrennte Verarbeitung verschiedener Leuchtstofftypen. Gleichzeitig besitzt es eine verbesserte Temperatur- und Witterungsbeständigkeit, eine verbesserte Wärmeabfuhr und ist beständig im UV. Es eignet sich deshalb als Konversionselement für eine LED (CLC und remote) und führt aufgrund der besseren Eigenschaften zu einer Effizienz- und/oder Lebensdauererhöhung.
Wie Eingangs erwähnt, werden derzeit Konversionselemente für LEDs meist mit organischen Komponenten wie z.B. Silikon hergestellt, in die Leuchtstoffpulver eingebettet sind. Diese organischen Komponenten haben eine schlechte Wärmeleitfähigkeit und sind zudem relativ temperaturempfindlich. Dies führt zu einer geringeren Effizienz der LED wenn sich die Matrix-Materialien durch zu hohe Temperaturen verfärben oder der Leuchtstoff durch zu hohe Temperaturen geschädigt wird. Zu der Temperaturerhöhung trägt großteils die durch die Stokes-Verschiebung erzeugte Wärme bei, die über die Matrix vom Leuchtstoff abgeführt werden muss. Zur Erzielung eines bestimmten Farbortes wurden bisher in der Regel Pulver verschiedener Leuchtstofftypen homogen in z.B. einer Silikonmatrix miteinander vermischt. Bei der Konversion führt dies zu einer gewissen Remission. Letztere kann reduziert werden, wenn Konversionskeramiken mit verschiedenen Lichtfarben eingesetzt werden. Nachteilig ist allerdings, dass diese miteinander verklebt werden müssen. Ferner ist auch eine seperate Verklebung auf dem Chip, Substrat oder Gehäuse erforderlich.
Bei der Verwendung von kondensiertem Metallphosphat als Matrix ist es möglich den Vorteil der besseren Wärmeableitung, der geringeren Remission und des direkten Verbundes miteinander zu verbinden. D.h. die verschiedenen Leuchtstofftypen, z.B. rot und gelb emittierende (bezogen auf die Peakemission) getrennt voneinander aufzubringen, wodurch die Remission verringert wird. Dies ist z.B. mehrschichtig in vertikaler oder horizontaler Richtung möglich. Eine Verklebung ist nicht erforderlich, da eine Schicht direkt auf die andere bzw. auf das Substrat aufgebracht werden kann und so der Verbund automatisch über die kondensierende Metallphosphat-Matrix erfolgt. Hierzu wird ein Substrat wie z. B. der Chip, ein Glas, eine Keramik oder ein Metall mit einer Suspension aus der Matrix-Lösung und einem darin enthaltenen Leuchtstoffpulver, z.B. YAG:Ce, beschichtet und dann getrocknet. Die Matrix wird dann bei höheren Temperaturen von typisch 200 bis 550°C kondensiert. Abhängig von der Matrix-Zusammensetzung erfolgt dabei die Wasserabspaltung zumindest teilweise bis hin zu vollständig. Die Abspaltung von ggf. entstehenden kohlenstoffhaltigen Reaktionsprodukten ist in der Regel abgeschlossen. Im nächsten Schritt erfolgt die Beschichtung mit einer zweiten, gleichartigen oder verschiedenartigen, Matrix-Lösung und einem zweiten Leuchtstoffpulver, z.B. einem Nitrid entsprechend der ersten Beschichtung. Aufgrund der Temperaturempfindlichkeit dieser Leuchtstoffe sollte für die Kondensation dieser Matrix eine Temperatur von 350°C möglichst nicht überschritten werden. Eine obere Temperaturgrenze für die Kondensation von 350°C wirkt sich auch vorteilhaft auf die Effizienz von eingebetteten Granatleuchtstoffen aus. Gleiches gilt, wenn der Auftrag auf dem Chip erfolgt, da dieser bei höheren Temperaturen geschädigt werden kann. Falls die Schichten bei unterschiedlichen Temperaturen kondensiert werden, ist es vorteilhaft, wenn die erste Schicht bei der höchsten Temperatur kondensiert wird und die Temperatur dann mit jeder weiteren Schicht abnimmt.
Da die Metallphosphat-Matrix bei der Temperaturbehandlung Wasser bzw. kohlenstoffhaltige Komponenten abspaltet und sich ihre Struktur dabei zunehmend vernetzt, vermischen sich die beiden Schichten nicht, selbst wenn die Matrizen die gleiche Zusammensetzung besitzen und bei der gleichen Temperatur kondensiert wurden. Die maximal anzuwendende Kondensationstemperatur Ta(max) ist durch die Temperaturbeständigkeit des einzubettenden Leuchtstoffpulvers und durch die der Substrate, auf denen sie aufgebracht sind, gegeben. Die minimal erforderliche Kondensationstemperatur Ta(min) hängt von der Zusammensetzung der Matrix ab, die zumindest soweit kondensiert werden muss, dass eine gewisse Witterungsbeständigkeit gegeben ist. Vorzugsweise erfolgt diese Kondensation bei Temperaturen von 200-550°C, insbesondere bei 200-350°C. Vorteilhaft ist es, wenn die Kondensationstemperatur über der späteren Einsatztemperatur liegt, um eine gewisse Temperatur- und optische Stabilität zu erhalten.
Eine derartige Einbettung ermöglicht das Erreichen verschiedener Farborte ohne vorher entsprechende Leuchtstoffmischungen herstellen zu müssen. Der Farbort wird vielmehr über die Konzentration und/oder die Schichtdicke der mindestens zwei Schichten gesteuert. Optional können jeder Suspension mit einer derartigen Metallphosphatlösung zusätzlich auch Feststoffe in Pulverform (Nanopartikel, Streupartikel, Glaspulver) und/oder Lösungen anderer löslicher Metallsalze zugesetzt werden.
Die Erfindung betrifft letztlich Konversionselemente (sowohl vom Typ CLC als auch vom Typ remote) mit mindestens zwei Schichten von anorganischer Matrix, in der jeweils mindestens eine Leuchtstofftype in Pulverform eingebettet ist. Die zweite Schicht ist relativ zur ersten vertikal oder horizontal angeordnet. Dadurch verringert sich die Remission, gleichzeitig ist der Farbort besser gezielt ansteuerbar. Die Erfindung kann beispielsweise auch für Konversionselemente vom Typ RGB eingesetzt werden. In diesem Fall ist die primäre Strahlung UV, es werden drei Leuchtstoffe zur Konversion eingesetzt, deren Peakemission im blauen, grünen und roten Spektralbereich liegen. Die drei Leuchtstoffpulver können in separaten Schichten aus kondensiertem Metallphosphat untergebracht werden, oder zwei der drei Leuchtstoffpulver können zusammen in einer Schicht aus kondensiertem Metallphosphat eingebettet sein. In einer besonderen Ausgestaltung wird der Blauanteil nicht durch Konversion erzeugt, sondern durch einen blau emittierenden Chip oder Laser. In diesem Fall sind für RGB nur noch zwei weitere Leuchtstoffe erforderlich.
Optional sind auch weitere Partikel (Nanopulver, Streuer, Glaspulver usw.) jeder Matrixlösung zusetzbar.
Dabei ist anzumerken, dass die verschiedenen Eigenschaften eines kondensierten Metallphosphats dadurch erreicht werden, dass dessen Zusammensetzung -- beim Beispiel für Aluminiumphosphat ist es im Wesentlichen das Al₂O₃-P₂O₅-H₂O-Verhältnis -- sowie der Grad der Vernetzung bei der Temperaturbehandlung an den jeweiligen Leuchtstoff angepasst werden können. Dadurch sind aber auch Eigenschaften wie Transparenz, Trübung, Opazität regelbar.
Im Prinzip kann das Metallphosphat auch glasige oder keramische Füllstoffe enthalten, die nicht mit aufschmelzen. Der Anteil an Leuchtstoffpulver ggf. mit Füllstoff kann so hoch sein, dass das kondensierte Metallphosphat quasi nur als Bindemittel/Klebstoff fungiert, der die Partikel zusammenhält, ähnlich einem keramischen Kleber. Je nach Einsatz und Anforderung können der Metallphosphatlösung funktionelle Komponenten zugesetzt sein.
Der thermische Ausdehnungskoeffizient des kondensierten Metallphosphates liegt bevorzugt bei mindestens 5,0 × 10^-6/K. Im Fall der Verwendung unterschiedlicher Zusammensetzungen sollte darauf geachtet werden, dass der thermische Ausdehnungskoeffizient der verschiedenen Metallphosphate nicht zu sehr voneinander abweicht (bevorzugt höchstens 5 bis 10 %).
In einer besonderen Ausführungsform beinhaltet das kondensierte Metallphosphat als Hauptkomponente Phosphat, das in verschiedenen Modifikationen, d. h. als Orthophosphat, Triphosphat, Metaphosphat, Polyphosphat, Ultraphosphat, sowie in allen möglichen Zwischenstufen vorliegen kann.
Im Folgenden sollen noch konkrete Ausführungsbeispiele für die Herstellung derartiger Schichten näher erläutert werden.
Beispiel 1:
In einer wässrigen Lösung eines Metallphosphats z. B. Monoaluminiumphosphat Al(H₂PO₄)₃ (z.B. 50 Gewichts-% FFB716 von Budenheim in Wasser gelöst) wird Leuchtstoff, z.B. YAG:Ce, in Pulverform suspendiert. Das Mischungsverhältnis liegt bei ca. 1 : 1 bezogen auf das Gewicht. Die Suspension wird auf ein Substrat, z.B. ein Glassubstrat, als Schicht ca. 50 µm dick aufgetragen. Im Anschluss erfolgt die Trocknung bei niedrigen Temperaturen (≤ 150°C) ggf. zusätzlich bei vermindertem Umgebungsdruck. Die Kondensation erfolgt in oxidierender Atmosphäre im Temperaturbereich von 150-800°C vorzugsweise 300-550°C für wenige Sekunden bis zu einer Stunde. Die reine Monoaluminiumphosphatlösung zeigt nach einer Trocknung bei < 100°C in der DTA (Differentialthermoanalyse) folgende Stufen: Oberhalb 250°C entsteht das Triphosphat (AlH₂P₃O₁₀) und oberhalb 500°C Aluminiummetaphosphat (Al(PO₃)₃) bzw. langkettige und ringförmige Aluminiumpolyphosphate [Al(PO₃)₃]_n. In Kombination mit dem Leuchtstoff YAG:Ce sind die Reaktionen zu niedrigeren Temperaturen hin verschoben. Die Kondensationsreaktionen und - produkte können durch glasbildende Zusätze in der Monoaluminiumphosphatlösung beeinflusst werden. Zum Beispiel Zink-, Magnesium- oder Bor-haltige Zusätze.
Die erste bereits kondensierte Schicht wird nun mit einer zweiten Schicht, die einen zweiten Leuchtstoff in Pulverform, z.B. ein Nitrid, enthält, beschichtet und analog der ersten Konversionsschicht behandelt. Bei dem so hergestellten Konversionselement, liegen die beiden Schichten übereinander (s. 2).
Beispiel 2:
Eine Chipoberfläche wird mit Leuchtstoffpulver z.B. LuAG:Ce beschichtet. Die Pulverschicht wird dann mit einer wässrigen Lösung eines Metallphosphats gemäß Beispiel 1 sprühbeschichtet. Im Anschluss erfolgt die Trocknung bei niedrigen Temperaturen (≤ 150°C) ggf. zusätzlich bei vermindertem Umgebungsdruck. Die Kondensation erfolgt in oxidierender Atmosphäre im Temperaturbereich von 200-350°C für wenige Sekunden bis zu einer Stunde. Die erste bereits kondensierte Schicht wird nun mit einem zweiten Leuchtstoffpulver z.B. einem Nitrid beschichtet. Diese Pulverschicht wird mit einer wässrigen Lösung eines Metallphosphats z. B. Monoaluminiumphosphat Al(H₂PO₄)₃, das zusätzlich auch andere Phosphate wie z.B. Mg und/oder Zn enthält, sprühbeschichtet. Im Anschluss erfolgt die Trocknung bei niedrigen Temperaturen (≤ 150°C) ggf. zusätzlich bei vermindertem Umgebungsdruck. Die Kondensation erfolgt in oxidierender Atmosphäre im Temperaturbereich von 200-350°C für wenige Sekunden bis zu einer Stunde.
Beispiel 3:
Auf ein kreisflächiges hochreflektierendes Substrat (Aluminium wie typischerweise in der Lichtanwendung verwendet) wird eine Suspension, bestehend aus Granatleuchtstoffpulver und z.B. einer wässrigen Mono-Aluminium-Phosphat-Lösung gemäß Beispiel 1, als Bahn aufgebracht und dann gemäß den Beispiel 2 getrocknet und kondensiert. Vor der Beschichtung kann das Substrat zur besseren Benetzung mit UV bestrahlt werden. An die Schmalseite dieser Bahn anschließend wird eine weitere Suspension als Bahn aufgebracht. Diese besteht aus einer wässrigen Lösung eines Metallphosphats z. B. Monoaluminiumphosphat Al(H₂PO₄)₃, das zusätzlich auch andere Phosphate oder Oxide wie z.B. Mg und/oder Zn und/oder B enthält, und einem anderen Leuchtstoffpulver z.B. einem Nitrid. Diese Schicht wird gemäß Beispiel 2 getrocknet und kondensiert. Auf diese Weise lassen sich z.B. auch Farbräder für Laseranwendungen herstellen.
In ähnlicher Art und in verschiedenen Kombinationen lassen sich auch andere Substrate mit vertikalen und horizontalen Schichtungen herstellen.
Der Feststoffgehalt an Leuchtstoff in der Matrix kann je nach gewünschtem Farbort der LED variiert werden. Hierbei ist es auch möglich, Konversionselemente herzustellen, die das vom Chip emittierte Licht zu 100% umwandeln. In diesem Fall ist der Feststoffgehalt an Leuchtstoff so hoch, dass das eingesetzte Metallphosphat die Leuchtstoffpartikel nur mit einer dünnen Schicht umschließt und dadurch miteinander verklebt. Letzteres beschränkt sich auf den Einsatz von z.B. RGB (s. 4).
Optional können den Suspensionen gemäß den Beispielen auch Feststoffe in Pulverform und/oder Lösungen anderer löslicher Metallsalze zugesetzt werden. Feststoffe sind vorzugsweise Nanopulver wie zum Beispiel pyrogene Kieselsäure (z.B. Aerosil von Evonik) und/oder pyrogenes Al₂O₃ (z.B. Aeroxid Alu C von Evonik) und/oder pyrogenes TiO₂ (z.B. Aeroperl P25 von Evonik), die dann auch von der Matrix umschlossen werden. Durch diese Partikel kann u.a. auch der Ausdehnungskoeffizient eingestellt werden, hierfür können aber auch Materialien mit negativen Ausdehnungskoeffizienten wie zum Beispiel β-Eukryptit dienen. Ebenso möglich ist die Zugabe eines gemahlenen Weich-, Hart- oder Quarzglases als auch eines Glaslotes. Ein Zusatz eines anderen löslichen Metallsalzes zu der Suspension ist z.B. ist die Zugabe einer wässrigen Lösung von Yttriumacetat oder Yttriumphosphat. In diesem Fall reagieren die Komponenten miteinander und das Metallphosphat wird dadurch modifiziert. Komponenten, die den Brechungsindex verändern, vorzugsweise erhöhen, wie Yttriumoxid oder Telluroxid, können ebenfalls als lösliche Metallsalze oder als oxidische Partikel zugesetzt werden.
Der Begriff Phosphate umfasst hier explizit insbesondere MonoPhosphat wie das wasserlösliche Al(H₂PO₄)₃ sowie auch wasserunlösliches Poly-Phosphat wie [Al(PO₃)₃]_n. Je nach Verarbeitung kann dabei Meta-Phosphat wie (Al(PO₃)₃) oder auch tertiäres Phosphat wie AlPO4 entstehen. Ein Anhaltspunkt ist ein Molverhältnis des Phosphors zum Metall, insbesondere Aluminium, von P/Al = 1 bis 10 Grenzwerte eingeschlossen.
Für den Fall, dass das Konversionselement vom Chip beabstandet sein soll (Remote-Phosphor-Lösung), wird anstatt des Chips ein transparentes Substrat, z.B. Glas mit einer hohen Transmission im VIS, beschichtet (s. Beispiel 1). Vorzugsweise ist die mit dem Leuchtstoff beschichtete Seite dem Chip zugewandt.
Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf leistungsstarke LEDs mit einer Leistung von mindestens 5 W, insbesondere mindestens 10 W Anschlussleistung. Hier kommen die Vorteile einer derartigen anorganischen Matrix des Konversionselementes voll zum Tragen, da die anorganische Matrix thermisch deutlich stabiler ist und eine bessere Wärmeleitung besitzt, verglichen mit einer organischen Matrix, und daher geringere Schäden bei langer Lebensdauer auftreten. Verglichen mit einer Matrix aus Glas, das über einen Schmelzprozess der Gemengerohstoffe hergestellt wurde, kann das Leuchtstoffpulver, bei gleicher Zusammensetzung der Matrix, bei geringeren Temperaturen eingebettet werden, wenn die Matrix aus einer kondensierten Metallphosphatlösung hergestellt wurde. Wie bereits erwähnt, führt dies zu einer geringeren Schädigung des Leuchtstoffs während der Einbettung.
Vor allem bei rot emittierenden Leuchtstoffen spielt eine gute Wärmeleitung der Matrix des Konversionselements wegen der großen Stokes-Verschiebung relativ zur primären Strahlung eine wesentliche Rolle. Dabei muss die Abwärme effizient vom Leuchtstoff weggeleitet werden, um diesen gegen Degradation während des Betriebs zu schützen.
Die amorphen bzw. überwiegend amorphen Metallphosphate, die über Kondensation hergestellt wurden, sind von der Struktur her nicht von denen zu unterscheiden, die aus der Schmelze eines Gemenges hergestellt wurden, es sei denn ein Glas mit den entsprechenden amorphen Anteilen ist in dieser Zusammensetzung über diesen Weg nicht herstellbar. Allerdings zeigt sich während der Einbettung des Leuchtstoffpulvers, ein unterschiedliches Verhalten. Während Gläser mit zunehmender Temperatur immer niederviskoser werden, steigt die Viskosität die Metallphosphatlösungen mit zunehmender Temperatur an. Dieses Verhalten ist darauf zurückzuführen, dass sich mit zunehmender Temperatur immer mehr Wasser bzw. kohlenstoffhaltige Reaktionsprodukte abspalten, was zu einer zunehmenden Vernetzung der Matrix führt. Dadurch erweicht diese Schicht bei gleicher Temperaturbehandlung nicht wieder, weshalb für ein mehrschichtiges Konversionselement die gleiche Matrix und Kondensationstemperatur für die verschiedenen Schichten verwendet werden kann, ohne dass sich diese vermischen. Im Falle einer amorphen bzw. überwiegend amorphen Glasmatrix, die aus der Schmelze eines Gemenges hergestellt wurde, würde dies zu einer Vermischung, zumindest im Bereich der Grenzflächen führen, da beide Schichten wieder erweichen.
Dadurch lassen sich vorteilhaft verschiedene Ausführungsbeispiele eines mehrschichtigen KonversionsElements realisieren. Beispielhaft sei dies mit zwei Leuchtstoffen erläutert, die aufeinandergeschichtet (vertikale Reihung) sind. Ähnliches gilt aber auch bei horizontaler, gitterartiger oder streifenartiger Reihung.
In einer ersten Ausführungsform wird dabei für die Matrix die gleiche Metallphosphatlösung verwendet. Wie bereits erwähnt, kann direkt beschichtet werden, wodurch kein separater Kleber für die Verbindung der beiden Teile benötigt wird. Durch die direkte Verbindung gibt es auch keine durch den Klebstoff bedingten Brechungsunterschiede oder abweichendes thermisches Verhalten. Im Gegensatz dazu müssen keramische Plättchen immer extra verklebt werden, was zum einen aufwendig, zum andern problematisch hinsichtlich der thermischen Stabilität ist.
Organische Matrizen sind bei hoher LED-Leistung ohnehin nicht verwendbar wegen der fehlenden thermischen Belastbarkeit. Aber auch Gläser als Matrizen sind problematisch, da beim Aufbringen der zweiten Schicht immer die erste Schicht wieder mit erweicht wird, wenn das gleiche Glas verwendet wird. Wegen des konträren Verhaltens von kondensierten Metallphosphaten gegenüber erschmolzenen Gläsern sind diese daher ideal für vertikale, aber auch für horizontale Schichtungen geeignet.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel kann auch ein Metallphosphat maßgeschneidert für jeweils einen Leuchtstoff werden. Dies ist beim Einbringen von mehreren Leuchtstoffen in eine einzige Matrix nicht möglich, es muss dabei immer ein Kompromiss in der Auswahl des Metallphosphats gesucht werden. Bei einer maßgeschneiderten Lösung ist es jedoch möglich, eine gezielte Anpassung vorzunehmen.
Orientierungspunkte für eine Anpassung sind beispielsweise der pH-Wert einer Lösung des Metallphosphats. Dieser ist u.a. abhängig vom Phosphatgehalt und liegt meist in einem Bereich zwischen 1 und 7. Die einzubringenden Leuchtstoffe sind unterschiedlich empfindlich gegenüber einer Belastung durch saures Milieu. Besonders stark empfindlich sind Orthosilikate, wenig empfindlich sind Granate und Nitride. Andere Leuchtstoffe liegen meist zwischen diesen Extremen.
Ein zweiter wichtiger Gesichtspunkt ist die Aushärtungstemperatur Ta des Metallphosphats, oder auch die Temperatur, bei der das Metallphosphat in Kombination mit dem Leuchtstoff und ggf. anderer Zusatzstoffe kondensiert, und sich polymere Phosphate bilden. Bei dieser Temperatur Ta ist die Abspaltung von Wasser abgeschlossen, bzw. im Wesentlichen abgeschlossen. Für viele nitridische Leuchtstoffe ist ein Ta von höchstens 350°C empfohlen, da diese Leuchtstoffe, insbesondere rot emittierende nitridische Leuchtstoffe vom Typ M2Si5N8:Eu oder Calsin-Varianten, relativ temperaturempfindlich sind.
Für Granat-Leuchtstoffe wie YAG:Ce, YAGAG oder LuAGAG wird ein Metallphosphat empfohlen, mit dem sich eine Ta von höchstens 400 °C ergibt.
Generell gilt aber, dass ein Metallphosphat angewendet werden sollte, das eine möglichst niedrige Ta ermöglicht, da diese Vorgehensweise jeden Leuchtstoff weitgehend schont. Ein Grenzwert in diesem Sinne ist eine Obergrenze des Ta von 350°C.
Als besonders geeignet hat sich eine amorphe bzw. überwiegend amorphe, transparente und farblose Matrix aus Aluminiumphosphat erwiesen, die sich durch Kondensation bei erhöhter Temperatur aus einer Mono-Aluminium-Phosphat-Lösung bildet. Insbesondere oxidationsempfindliche Leuchtstoffe wie z.B. Nitride zeigten nach dem Einbetten in derartigen Matrizen bei Temperaturen ≤ 350°C keinen merklichen Effizienzverlust. Feuchtetests derartiger Muster haben ergeben, dass diese Matrizen neutral reagieren und dadurch auf eine gute Abbindung und chemische Resistenz hindeuten. Die erforderliche Temperatur Ta für die Abbindereaktion kann nochmals reduziert werden, wenn andere Metallphosphate oder Oxide wie z.B. Zn, Mg und/oder B in der Lösung enthalten sind. Dies sind z.B. Kondensationstemperaturen Ta zwischen 200-300°C, die damit in einem interessanten Temperaturbereich liegen, um auch temperaturempfindliche Substrate beschichten bzw. temperaturempfindliche Stoffe einbetten zu können.
Typische Schichtdicken der einzelnen Schichten des Konversionselements liegen bei 10 bis 200 pm, abhängig von der Korngrößenverteilung des eingebetteten Leuchtstoffpulvers, des Mischungsverhältnisses von Feststoff zu Matrix und des gewünschten Konversionsgrades. Dabei müssen erste Schicht und zweite Schicht nicht unbedingt gleich dick sein. Für eine Teilkonversion von blauem Licht zu warmweiß ergibt sich in der Regel ein Mischungsverhältnis von 1:9 Gewichtsanteilen für rot zu grün/gelb, abhängig vom der Dichte und Effizienz der Leuchtstoffe sowie von den Emissionsspektren.
Die mit verschiedenen Leuchtstoffen erreichbare maßgeschneiderte Effizienz hängt somit auch von der Kondensationstemperatur („firing temperature“) ab. Granate sind dabei generell weniger empfindlich als nitridische Leuchtstoffe wie Nitridosilikate oder Calsine. Bei schonender Behandlung weisen aber nitridische Leuchtstoffe kaum Einbußen auf, der Effizienzverlust liegt bei wenigen Prozent gegenüber dem Ausgangspulver. Dies gilt insbesondere für eine Matrix auf Basis von Mono-Aluminium-Phosphat, die einer „firing temperature“ von 200 bis 350 °C ausgesetzt war.
Eine Matrix auf Basis von Mono-Aluminium-Phosphat mit einer „firing temperature“ von 200 bis 350 °C ist auch ein guter Kandidat für die Einbettung von Granat-Leuchtstoffen. Da diese Leuchtstoffe weniger temperaturempfindlich sind, kann die „firing temperature“ in diesem Fall bei bis zu 400°C liegen. Der Effizienzverlust gegenüber dem Ausgangspulver kann dann auch hier auf wenige Prozent beschränkt werden.
Somit ist es möglich zwei verschiedene Matrizen für die beiden Leuchtstoffe zu verwenden als auch die gleiche Matrix bei verschiedenen „firing temperatures“ auszuhärten. Ebenso möglich ist die Verwendung der gleichen Matrix und „firing temperatur“ für beide Schichten. Eine gleichzeitige Aushärtung der verschiedenen Schichten ist ebenfalls denkbar, sofern die „firing temperatur“ der Schichten gleich ist. In diesem Fall wird die erste Schicht nur getrocknet oder bei niedrigerer Temperatur vorkondensiert.
In einer besonderen Ausgestaltung kann auch der gleiche Leuchtstoff in zwei verschiedene Matrizen eingebettet werden, um z.B. den Brechungsindex oder den Ausdehnungskoeffizient oder Streueigenschaften stufenweise anzupassen.
Ein besonderer Vorteil der hier beschriebenen Erfindung ist, dass so auch Konversionselemente durch Einbetten von Leuchtstoffpulver hergestellt werden können, die als Keramik nicht oder nur aufwendig herstellbar sind. Auch eine derartige Konversionskeramik könnte auf diese Art mit mindestens einer weiteren Konversionsschicht beschichtet werden. Im Vergleich zur Einbettung von Leuchtstoffpulver in Glas, das über eine Schmelze aus den Gemengerohstoffen hergestellt wurde, ist der hier beschriebene Prozess auch deutlich einfacher und kostengünstiger und kann ggf. mit diesem kombiniert werden.
Typische Korngrößenverteilungen der Leuchtstoffpulver sind ein D50 zwischen 5-50 µm, insbesondere 5-30 µm. Das Mischungsverhältnis von Lösung zu Feststoff ist korngrößenabhängig. Je feiner das Korn ist desto mehr Matrix-Lösung wird benötigt. Für Granat-Leuchtstoffe mit Korngrößenverteilungen von einem D₅₀ zwischen 5-30 µm hat sich ein Mischungsverhältnis von Leuchtstoff : Matrix-Lösung von 1 : 0,5-3,0 (Gew.) bewährt. In diesem Fall waren keine weiteren Pulver zugesetzt.
Die Konzentration der Metallphosphatlösung liegt typischerweise zwischen 5-60 Gewichts-%, idealerweise bei 40-60 Gewichts-%. Die kondensierte Matrix ist vorzugsweise porenarm.
Das Konversionselement bildet einen mindestens zweilagigen Konverter.
Die Metallphosphatmatrix bildet sich durch Kondensation (chemische Abbindung) einer Metallphosphatlösung. Das Metallphosphat ist bevorzugt farblos und überwiegend amorph, d.h. zu mehr als 50%. Neben Al₂O₃ kann beispielsweise auch Y₂O₃ enthalten sein.

Claims

Optoelektronisches Halbleiterbauelement (19, 35) mit einer Lichtquelle (2, 20, 36), die primäre Strahlung emittiert, einem Gehäuse (26) und elektrischen Anschlüssen (21, 22), wobei - dem optoelektronischen Halbleiterbauelement (19, 35) ein Konversionselement (37) auf Basis einer Matrix sowie mindestens zwei Leuchtstoffen (38, 138) vorgeschaltet ist, - die Matrix Metallphosphat beinhaltet, - die Leuchtstoffe (38, 138) primäre Strahlung teilweise oder vollständig konvertieren, - mindestens ein erstes Leuchtstoffpulver (38) in einer ersten anorganischen Matrix (5, 31, 39) auf Basis eines Metallphosphats eingebettet und fixiert ist, wobei das Metallphosphat in Kombination mit dem ersten Leuchtstoffpulver (38) eine Aushärtungstemperatur von höchstens 400°C aufweist, - mindestens ein zweites Leuchtstoffpulver (138) in einer zweiten Matrix (6, 32, 139) auf Basis eines Metallphosphats eingebettet und fixiert ist, wobei das Metallphosphat in Kombination mit dem zweiten Leuchtstoffpulver (138) eine Aushärtungstemperatur von höchstens 400°C aufweist, und - die zweite Matrix (6, 32) über der ersten Matrix (5, 31) angeordnet ist und die erste mit Leuchtstoff beaufschlagte Matrixschicht (5, 31, 39) und weitere mit Leuchtstoff beaufschlagte Matrixschichten (6, 32, 33, 139) direkt aufeinanderfolgen ohne sich zu vermischen.
Optoelektronisches Halbleiterbauelement (19, 35) nach Anspruch 1, wobei das Metallphosphat der ersten Matrix und/oder der zweiten Matrix im Wesentlichen alkalifrei und halogenfrei ist.
Optoelektronisches Halbleiterbauelement (19, 35) nach Anspruch 1, wobei das Metallphosphat der ersten Matrix und/oder der zweiten Matrix im Wesentlichen transparent im sichtbaren Spektralbereich ist.
Optoelektronisches Halbleiterbauelement (19, 35) nach Anspruch 2, wobei das Metallphosphat der ersten Matrix und/oder der zweiten Matrix höchstens 1 Mol.-% an Alkalioxiden und halogenhaltigen Bestandteilen enthält.
Optoelektronisches Halbleiterbauelement (19, 35) nach Anspruch 1, wobei das Metallphosphat der ersten Matrix und/oder der zweiten Matrix als Hauptkomponente Phosphat enthält.
Optoelektronisches Halbleiterbauelement (19, 35) nach Anspruch 5, wobei das Metallphosphat der ersten Matrix und/oder der zweiten Matrix Aluminiumphosphat ist oder überwiegend enthält.
Optoelektronisches Halbleiterbauelement (19, 35) nach Anspruch 6, wobei mindestens zwei Metallphosphate enthalten sind, wobei Aluminiumphosphat die Hauptkomponente mit mehr als 50 Gew.-% ist.
Optoelektronisches Halbleiterbauelement (19, 35) nach Anspruch 2, wobei das Metallphosphat der ersten Matrix und/oder der zweiten Matrix 5 bis 90 Mol.-% P₂O₅ und insbesondere 10 bis 90 Mol.-% Al₂O₃ enthält.
Optoelektronisches Halbleiterbauelement (19, 35) nach Anspruch 2, wobei das Metallphosphat der ersten Matrix und/oder der zweiten Matrix 50 bis 90 Mol.-% P₂O₅ und insbesondere 10 bis 50 Mol.-% Al₂O₃ enthält.
Optoelektronisches Halbleiterbauelement (19, 35) nach Anspruch 1, wobei dem Metallphosphat der ersten und/oder der zweiten Matrix anorganische Komponenten zugesetzt sind, die den Brechungsindex erhöhen und/oder als Füllstoffe dienen und/oder als optischer Filter wirken und/oder streuen und/oder die Wärmeableitung erhöhen und/oder das thermische Ausdehnungsverhalten an das Substrat anpassen.
Optoelektronisches Halbleiterbauelement (19, 35) nach Anspruch 2, wobei die Matrix mindestens einer der Matrizen (5, 6, 31, 32, 33, 39, 139) aus einem anderen Metallphosphat hergestellt ist als die andere Matrix (5, 6, 31, 32, 33, 39, 139) .
Optoelektronisches Halbleiterbauelement (19, 35) nach Anspruch 11, wobei die Metallphosphat-Matrizen (5, 6, 31, 32, 33, 39, 139) an den jeweils eingebetteten Leuchtstoff (38, 138) angepasst sind.
Optoelektronisches Halbleiterbauelement (19, 35) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens eines der Metallphosphate in Kombination mit dem zugehörigen Leuchtstoffpulver (38, 138) eine Aushärtungstemperatur von höchstens 350°C aufweist.
Optoelektronisches Halbleiterbauelement (19, 35) nach Anspruch 13, wobei mindestens eines der Metallphosphate in Kombination mit dem Leuchtstoffpulver (38, 138) eine Aushärtungstemperatur von höchstens 300°C.
Optoelektronisches Halbleiterbauelement (19, 35) nach Anspruch 14, wobei mindestens eines der Metallphosphate in Kombination mit dem zugehörigen Leuchtstoffpulver (38, 138) eine Aushärtungstemperatur von höchstens 220 °C aufweist.
Optoelektronisches Halbleiterbauelement (19, 35) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens eines der Metallphosphate als Lösung einen pH-Wert von 1 bis 7 aufweist.