DE112014002520B4

DE112014002520B4 - Verfahren zur Herstellung eines pulverförmigen Precursormaterials, pulverförmiges Precursormaterial und seine Verwendung

Info

Publication number: DE112014002520B4
Application number: DE112014002520.8T
Authority: DE
Inventors: Bianca Pohl-Klein; Juliane Kechele
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2013-05-23
Filing date: 2014-04-17
Publication date: 2018-06-21
Anticipated expiration: 2034-04-18
Also published as: DE112014002520A5; WO2014187624A1; US9534169B2; KR20160012177A; US20160060517A1; JP6181292B2; JP2016527163A; KR102270704B1; DE102013105304A1; CN105228972A

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines pulverförmigen Precursormaterials der folgenden allgemeinen Zusammensetzung I oder II oder III oder IV:I: (CaSr)AlSiN:X1II: (CaSrLi) AlSi (NF):X2III: zAlSiN:X3IV: (ZLi)AlSi(NF):X4wobei X1 und X2 und X3 und X4 jeweils ein Aktivator oder eine Kombination aus mehreren Aktivatoren ist,wobei der Aktivator aus der Gruppe der Lanthanoide, Mnund/oder Mnausgewählt ist,wobei Z aus folgender Gruppe und Kombinationen daraus ausgewählt ist: Ca, Sr, Mgwobei gilt: 0 ≤ y ≤ 1 und 0 ≤ a < 1 und 0 ≤ b < 1 und 0 < c ≤ 1 und |δ| ≤ 0,5 und 0 ≤ x < 1 und 0 ≤ d < 1,mit den VerfahrensschrittenA) Herstellen einer pulverförmigen Mischung von Edukten, wobei die Edukte Ionen der oben genannten Zusammensetzungen I und/oder II und/oder III und/oder IV umfasst,B) Glühen der Mischung unter Schutzgasatmosphäre, anschließendes Mahlen,wobei im Verfahrensschritt A) als Edukt mindestens ein Siliziumnitrid mit einer spezifischen Oberfläche von größer oder gleich 5 m/g und kleiner oder gleich 100 m/g ausgewählt wird,wobei das Glühen im Verfahrensschritt B) bei einer Temperatur von kleiner oder gleich 1550 °C durchgeführt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines pulverförmigen Precursormaterials, ein pulverförmiges Precursormaterial und die Verwendung des pulverförmigen Precursormaterials in einem optoelektronischen Bauelement.
In optoelektronischen Bauelementen, wie beispielsweise Leuchtdioden (LED), werden keramische Materialien oder keramische Leuchtstoffe eingesetzt, welche von einer Strahlungsquelle emittierte Strahlung einer ersten Wellenlänge in eine Strahlung mit einer zweiten Wellenlänge umwandeln. Die keramischen Materialien zeichnen sich unter anderem durch eine hohe thermische Belastbarkeit aufgrund ihrer guten Wärmeabführung aus. Ein keramisches Vormaterial oder Leuchtstoffpecursormaterial oder Precursormaterial erfordert eine geringe Partikelgröße für eine hohe Sinterfähigkeit, um es leicht Keramikprozessen, wie Tape Casting oder Spark Plasma Sintern (SPS) unterwerfen zu können.
Die US 2001/027159 A1 beschreibt einen gesinterten Körper eines Erdalkalioxides mit einem D₅₀- und D₉₀-Wert.
Eine zu lösende Aufgabe ist es, ein verbessertes Verfahren zur Herstellung eines pulverförmigen Precursormaterials anzugeben. Weitere Aufgaben bestehen darin, ein pulverförmiges Precursormaterial und seine Verwendung anzugeben. Diese Aufgaben werden durch die Gegenstände mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird ein Verfahren zur Herstellung eines pulverförmigen Precursormaterials angegeben, welches die folgenden allgemeinen Zusammensetzungen I und/oder II und/oder III und/oder IV aufweist:

I: (Ca_ySr_1-y)AlSiN₃:X1

II: (Ca_bSr_aLi_1-a-b)AlSi(N_1-cF_c)₃:X2

III: Z_5-δAl_4-2δSi_8+2δN₁₈:X3

IV: (Z_1-dLi_d)_5-δAl_4-2δSi_8+2δ(N_1-xF_x)₁₈:X4
Dabei ist X1 und X2 und X3 und X4 jeweils ein Aktivator oder eine Kombination von mehreren Aktivatoren, der aus der Gruppe der Lanthanoide, Mn²⁺ und/oder Mn⁴⁺ ausgewählt ist,
wobei Z aus folgender Gruppe und Kombinationen daraus ausgewählt ist: Ca, Sr, Mg
wobei gilt: 0 ≤ y ≤ 1 und 0 ≤ a < 1 und 0 ≤ b < 1 und 0 < c ≤ 1 und |δ| ≤ 0,5 und 0 ≤ x < 1 und 0 ≤ d < 1.
Das Verfahren weist folgende Verfahrensschritte auf:

A) Herstellen einer pulverförmigen Mischung von Edukten, wobei die Edukte Ionen der oben genannten Zusammensetzung I und/oder II und/oder III und/oder IV umfasst,
B) Glühen der Mischung unter Schutzgasatmosphäre, anschließendes Mahlen,

²

X1 und/oder X2 und/oder X3 und/oder X4 wirken hier als Aktivatoren oder Dotierstoffe. Der Aktivator kann sich dabei in das Kristallgitter der Kationen des pulverförmigen Precursormaterials der oben genannten allgemeinen Zusammensetzung I oder II oder III oder IV einbauen. Der Aktivator kann ein oder mehrere Elemente aus der Gruppe der Lanthanoide aufweisen. Alternativ oder zusätzlich kann der Aktivator zweiwertiges Mangan (Mn²⁺) und/oder vierwertiges Mangan (Mn⁴⁺) sein. Der Aktivator kann aus einer Gruppe ausgewählt sein, die Lanthan, Cer, Praseodym, Neodym, Promethium, Samarium, Europium, Gadolinium, Terbium, Dysprosium, Holmium, Erbium, Thulium, Ytterbium und Lutetium umfasst. Insbesondere ist der Aktivator Europium, Cer und/oder Lanthan. Bei Einsatz von dreiwertigen Elementen als Aktivator, beispielsweise Ce³⁺, ist die Ladungsneutralität nicht gegeben. Daher ist in der Regel eine Ladungskompensation nötig. Die Konzentration des Aktivators in dem pulverförmigen Precursormaterial kann 0,01 bis 20 mol% oder 0,1 mol% bis 20 mol%, insbesondere 0,01 bis 5 mol%, beispielsweise 0,5 mol% sein.
Unter Schutzgasatmosphäre kann beispielsweise eine inerte oder eine reduzierende Atmosphäre verstanden werden. Eine reduzierende Atmosphäre schließt nicht aus, dass in dieser reduzierenden Atmosphäre Sauerstoff vorhanden ist.
Unter |δ| ≤ 0,5 kann der Bereich -0,5 ≤ δ ≤ 0,5 verstanden werden.
Die geglühte Mischung kann nach dem Mahlen je nach Bedarf noch gesiebt werden.
Mit dem oben genannten Verfahren können besonders fein verteilte pulverförmige Precursormaterialien hergestellt werden. Durch die Wahl geeigneter Syntheseparameter und Edukte kann Einfluss auf die Partikelgröße beziehungsweise die Korngröße bzw. den Korngrößenwert des resultierenden pulverförmigen Precursormaterials genommen werden. Dabei spielt insbesondere die Reaktivität der Edukte beispielsweise der eingesetzten Nitride eine Rolle.
In dem Verfahrensschritt A) kann gemäß einer Ausführungsform als Nitrid Siliziumnitrid (Si₃N₄) und Aluminiumnitrid (AlN) und/oder Calciumnitrid (Ca₃N₂) ausgewählt oder eingesetzt werden. Ein entscheidender Parameter für die Reaktivität solcher Nitride ist ihre spezifische Oberfläche. Die spezifische Oberfläche meint hier die Oberfläche des Materials je Gewichtseinheit. Die spezifische Oberfläche kann beispielsweise durch Gasadsorption (BET-Messung) bestimmt werden.
Die spezifische Oberfläche des Siliziumnitrids ist größer oder gleich 5 m²/g und kleiner oder gleich 100 m²/g. Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die spezifische Oberfläche zumindest des Siliziumnitrids aus dem Bereich von 10 m²/g bis 30 m²/g, beispielsweise 11 m²/g ausgewählt. Insbesondere ist die spezifische Oberfläche von Siliziumnitrid aus einem Bereich von 10 bis 15 m²/g ausgewählt. Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die spezifische Oberfläche von Aluminiumnitrid aus einem Bereich von 1 bis 25 m²/g, insbesondere 1 bis 15 m²/g, beispielsweise 3 m²/g ausgewählt. Je reaktiver das oder die eingesetzten Nitride, beispielsweise Siliziumnitrid sind, desto niedriger kann die Synthesetemperatur gewählt werden und desto fein verteilter wird das hergestellte Precursormaterial. Bei einer zu hohen spezifischen Oberfläche, beispielsweise von größer als 100 m²/g besteht die Gefahr, dass die resultierenden pulverförmigen Precursormaterialien zu stark sintern. Außerdem besteht die Gefahr einer oxidischen Verunreinigung durch die erhöhte Reaktivität der Oberfläche. Analoges gilt für AlN ab einer spezifischen Oberfläche größer als 25 m²/g.
Im Gegensatz zu einem grobkörnigen Precursormaterial, meint hier ein fein verteiltes und/oder pulverförmiges Precursormaterial, dass das Precursormaterial einen geringen ersten Korngrößenwert dso und/oder einen geringen zweiten Korngrößenwert d₉₀ aufweist. Insbesondere weist der erste Korngrößenwert d₅₀ einen Wert kleiner oder gleich 2 µm und/oder der zweite Korngrößenwert d₉₀ einen Wert kleiner oder gleich 3,5 µm auf.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform können im Verfahrensschritt A) die Edukte stöchiometrisch eingewogen werden. Alternativ können die Edukte auch nichtstöchiometrisch eingewogen werden, wobei zumindest ein Edukt oder Ausgangssubstanz im Überschuss eingewogen werden kann, um eventuell Abdampfungsverluste während der Herstellung zu kompensieren. Beispielsweise können Edukte, welche Erdalkalikomponenten umfassen, im Überschuss eingewogen werden. Gemäß zumindest einer Ausführungsform werden im Verfahrensschritt A) als Edukte Carbonate, Oxide, Nitride, Carbide, Metalle und/oder Halogenide eingesetzt.
Dabei können Erdalkaliverbindungen oder Alkaliverbindungen aus Legierung, Hydriden, Siliziden, Nitriden, Halogeniden, Oxiden, Amiden, Aminen, Carbonaten, Metalle und Mischungen dieser Verbindungen und/oder Metalle ausgewählt werden. Bevorzugt werden Calciumnitrid, Strontiumcarbonat und/oder Strontiumnitrid eingesetzt.
Eine Siliziumverbindung kann aus Siliziumnitriden, Erdalkalisiliziden, Siliziumdiimiden, Siliziumhydriden, Siliziumoxid, Silizium oder Mischungen dieser Verbindungen und/oder des Siliziums ausgewählt werden. Bevorzugt wird Siliziumnitrid eingesetzt, das stabil leicht verfügbar und günstig ist.
Eine Aluminiumverbindung kann aus Legierungen, Oxiden, Nitriden, Metallen und Mischungen dieser Verbindungen und/oder Metalle ausgewählt werden. Bevorzugt wird Aluminiumnitrid eingesetzt, das stabil leicht verfügbar und günstig ist.
Verbindungen aus der Gruppe der Lanthanoide, beispielsweise Verbindungen von Europium, können Oxide, Nitride, Halogenide, Hydride, Metalle oder Mischungen dieser Verbindungen und/oder Metalle ausgewählt werden. Bevorzugt wird Europiumoxid eingesetzt, das stabil leicht verfügbar und günstig ist.
Die Schüttdichte der Edukte ist ein Maß für die Partikelgröße des resultierenden Precursormaterials. Im Verfahrensschritt A) sollte insbesondere darauf geachtet werden, dass die Schüttdichte der Edukte gering ist. Je komprimierter die pulverförmige Mischung der Edukte im Verfahrensschritt A) ist, desto grobkörniger wird das resultierende pulverförmige Precursormaterial. Eine geringe Schüttdichte führt hingegen zu einem fein verteilten Precursormaterial. Die Schüttdichte kann durch Sieben beeinflusst werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das Siliziumnitrid im Verfahrensschritt A) teilkristallin oder kristallin. Damit kann ein pulverförmiges fein verteiltes Precursormaterial erzeugt werden. Die Kristallinität des Nitrids hat einen Einfluss auf die Partikelgröße oder Korngröße bzw. Korngrößenwert des pulverförmigen Precursormaterials.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird im Verfahrensschritt A) zusätzlich ein Schmelzmittel zugesetzt. Alternativ kann auch auf ein Schmelzmittel im Verfahrensschritt A) verzichtet werden. Das Schmelzmittel kann für die Verbesserung der Kristallinität und zur Unterstützung des Kristallwachstums des pulverförmigen Precursormaterials eingesetzt werden. Zum anderen kann durch die Zugabe des Schmelzmittels die Reaktionstemperatur oder Glühtemperatur herabgesetzt werden. Die Edukte können mit dem Schmelzmittel homogenisiert werden. Alternativ oder zusätzlich kann das Schmelzmittel auch nach der ersten Glühung dem Precursormaterial zugesetzt werden. Die Homogenisierung kann beispielsweise in einer Mörsermühle, einer Kugelmühle, einem Turbulentmischer, einem Flugscharmischer oder mittels anderer geeigneter Methoden erfolgen.
In dem Verfahren kann der Verfahrensschritt B) mindestens ein Mal durchgeführt werden. Insbesondere kann der Verfahrensschritt B) ein bis fünfmal, insbesondere ein bis dreimal, beispielsweise zweimal durchgeführt werden. Durch die Anzahl der Glühungen mit jeweils anschließendem Mahlen und gegebenenfalls Sieben kann die Partikelgröße oder Korngröße bzw. der Korngrößenwert des resultierenden Precursormaterials beeinflusst werden. Nach der letzten durchgeführten Glühung wird die Mischung gemahlen und gesiebt.
In dem Verfahren wird das Glühen im Verfahrensschritt B) bei einer Temperatur von kleiner oder gleich 1550°C durchgeführt. Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird der Verfahrensschritt B) bei einer Temperatur von 1200 bis 1550 °C, insbesondere 1200 bis 1500 °C, beispielsweise 1450 °C durchgeführt. Durch die Auswahl der Temperatur kann die Korngröße bzw. der Korngrößenwert des resultierenden pulverförmigen Precursormaterials beeinflusst werden. Die Temperatur bezeichnet hier die Maximaltemperatur oder die maximale Synthesetemperatur im Verfahrensschritt B). Die in diesem Verfahren gewählte Synthesetemperatur ist niedriger als jene Temperaturen von herkömmlichen Verfahren. Die Anwendung niedrigerer Temperaturen im Verfahrensschritt B) führt zu einer verbesserten Sinterfähigkeit, wenn das pulverförmige Precursormaterial weiter verarbeitet wird. Häufig führen geringe Synthesetemperaturen bei nitridischen Precursormaterialien oder Leuchtstoffen zur Ausbildung von Nebenphasen. Durch geeignete Wahl reaktiver Edukte kann trotz geringer Synthesetemperatur die Bildung von Nebenphasen vermieden werden und ein fein verteiltes Precursormaterial erhalten werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird während des Glühens im Verfahrensschritt B) eine Haltezeit eingehalten, die aus dem Bereich von einer Minute bis 24 Stunden ausgewählt ist. Insbesondere ist die Haltezeit aus dem Bereich eine Stunde bis acht Stunden, beispielsweise aus dem Bereich eine Stunde bis vier Stunden, beispielsweise zwei Stunden ausgewählt. Unter Haltezeit ist die Zeit zu verstehen, während der die maximale Temperatur gehalten wird. Zusammen mit der Aufheiz- und Abkühlzeit ergibt die Haltezeit die gesamte Glühdauer. Mit der Haltezeit kann die Partikelgröße des resultierenden pulverförmigen Precursormaterials ebenfalls beeinflusst werden.
Ein weiterer Parameter zur Beeinflussung der Partikelgröße des resultierenden pulverförmigen Precursormaterials sind die Aufheiz- und Abkühlrampen. Diese können beispielsweise je nach Ofentyp ausgewählt werden. Ein Ofentyp ist beispielsweise ein Rohrofen, ein Kammerofen oder ein Durchschubofen.
Die Glühung kann in einem Tiegel beispielsweise aus Wolfram, Molybdän, Korund, Aluminia, Graphit oder Bornitrid erfolgen. Dabei kann der Tiegel eine Auskleidung beispielsweise aus Molybdän oder eine Auskleidung aus Saphir aufweisen. Das Glühen kann in einem gasdichten Ofen unter reduzierender Atmosphäre und/oder Inertgas, wie zum Beispiel in Wasserstoff, Ammoniak, Argon, Stickstoff oder Mischungen daraus erfolgen. Die Atmosphäre kann fließend oder stationär sein. Es kann zudem von Vorteil für die Qualität des resultierenden Precursormaterials sein, wenn elementarer Kohlenstoff in fein verteilter Form im Ofenraum anwesend ist. Alternativ ist es möglich, dass Kohlenstoff direkt in die Mischung der Edukte zu geben.
Mehrfaches Glühen der Edukte mit oder ohne zwischengeschalteten Nachbearbeitungsprozess, wie zum Beispiel Mahlen und/oder Sieben kann die Kristallinität oder die Korngrößenverteilung weiter verbessern. Weitere Vorteile können eine niedrigere Defektdichte verbunden mit verbesserten optischen Eigenschaften des resultierenden Precursormaterials und/oder eine höhere Stabilität des resultierenden Precursormaterials sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform folgt dem Verfahrensschritt B) ein Verfahrensschritt C). In dem Verfahrensschritt C) kann das pulverförmige Precursormaterial in Lauge und/oder Säure gewaschen werden. Die Säure kann beispielsweise aus einer Gruppe ausgewählt sein, die Salzsäuren, Schwefelsäure, Salpetersäure, Flusssäure, organische Säuren und Mischungen daraus umfasst. Die Lauge kann aus einer Gruppe ausgewählt werden, die Kalilauge, Natronlauge und Mischungen daraus umfasst. Derartige Waschungen können die Effizienz erhöhen, wenn ein dotiertes pulverförmiges Precursormaterial hergestellt wird. Des Weiteren können dadurch Nebenphasen, Glasphasen oder andere Verunreinigungen entfernt werden sowie eine Verbesserung der optischen Eigenschaften des pulverförmigen Precursormaterials erreicht werden.
Es wird weiterhin ein pulverförmiges Precursormaterial angegeben, das mit einem Verfahren gemäß den obigen Ausführungen hergestellt ist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das pulverförmige Precursormaterial durch einen ersten Korngrößenwert d₅₀ und/oder einen zweiten Korngrößenwert d₉₀ gekennzeichnet. Insbesondere wird das pulverförmiges Precursormaterial mit einem Verfahren gemäß den obigen Ausführungen hergestellt. Das pulverförmige Precursormaterial weist einen ersten Korngrößenwert d₅₀ und einen zweiten Korngrößenwert d₉₀ auf, wobei das pulverförmige Precursormaterial zur Verwendung für einen Leuchtstoff der folgenden allgemeinen Zusammensetzung I oder II oder III oder IV dient:

I: (Ca_ySr_1-y)AlSiN₃:X1

II: (Ca_bSr_aLi_1-a-b) AlSi(N_1-cF_c)₃:X2

III: Z_5-δAl_4-2δSi_8+2δN₁₈:X3

IV: (Z_1-dLi_d)_5-δAl_4-2δSi_8+2δ(N_1-xF_x)₁₈:X4

wobei X1 und X2 und X3 und X4 jeweils ein Aktivator oder eine Kombination aus mehreren Aktivatoren ist,
wobei der Aktivator aus der Gruppe der Lanthanoide, Mn²⁺ und/oder Mn⁴⁺ ausgewählt ist,
wobei Z aus folgender Gruppe und Kombinationen daraus ausgewählt ist: Ca, Sr, Mg
wobei gilt: 0 ≤ y < 1 und 0 ≤ a < 1 und 0 ≤ b < 1 und 0 < c ≤ 1 und |δ| ≤ 0,5 und 0 ≤ x < 1 und 0 ≤ d < 1. Der erste Korngrößenwert d₅₀ ist kleiner oder gleich als 2 µm und der zweite Korngrößenwert d₉₀ ist kleiner oder gleich als 3,5 µm. Als erster Korngrößenwert d₅₀ wird im Folgenden, wenn nichts anderes angegeben, der Wert d₅₀ verstanden, der so definiert ist, dass 50 % des Materials bezogen auf den Volumenanteil unterhalb und/oder 50 % des Materials bezogen auf den Volumenanteil oberhalb dieser Größe beziehungsweise dieses Durchmessers liegt. Der zweite Korngrößenwert d₉₀ wird hier, wenn nichts anderes angegeben, so definiert, dass 90 % des Materials bezogen auf den Volumenanteil unterhalb und/oder 10 % des Materials bezogen auf den Volumenanteil oberhalb dieser Größe beziehungsweise dieses Durchmessers liegt. Der Begriff Korngröße oder Korngrößenwert soll in diesem Zusammenhang sowohl die Primärkorngröße eines einzelnen Korns als auch die Agglomerationskorngröße umfassen. Der erste bzw. zweite Korngrößenwert kann mittels Laserbeugung bestimmt werden. Die Partikelgröße kann durch den dso und/oder d₉₀-Wert beschrieben werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der erste Korngrößenwert d₅₀ einen Wert von 1 +/- 0,3 µm auf. Alternativ oder zusätzlich kann der zweite Korngrößenwert d₉₀ einen Wert von 3 +/- 0,3 µm aufweisen.
Mit dem Verfahren wird also ein besonders fein verteiltes pulverförmiges Precursormaterial bereitgestellt, das sowohl einen sehr kleinen ersten Korngrößenwert d₅₀ als auch einen zweiten Korngrößenwert d₉₀ aufweist. Das fein verteilte pulverförmige Precursormaterial eignet sich zum Einsatz in optoelektronischen Bauelementen, wie beispielsweise Leuchtdioden. Das schließt sowohl den Einsatz des Precursors in Form von Pulver als pulverförmiger Konversionsstoff als auch die Weiterverarbeitung des Precursors zu keramischen Leuchtstoffkonvertern oder die Verwendung dieser in optoelektronischen Bauelementen ein. Letzteres ist vor allem durch die gute Sinterfähigkeit des fein verteilten pulverförmigen Precursormaterials bedingt.
Es wird weiterhin die Verwendung des pulverförmigen Precursormaterials zur Bildung von mindestens einer keramischen Schicht eines optoelektronischen Bauelements angegeben. Das optoelektronische Bauelement kann beispielsweise eine LED umfassen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform bildet das pulverförmige Precursormaterial eine keramische Schicht eines optoelektronischen Bauelements, wobei die keramische Schicht im Strahlengang des optoelektronischen Bauelements, welches eine Halbleiterschichtenfolge aufweist, angeordnet ist.
Gemäß dieser Ausführungsform sind die in der Halbleiterschichtenfolge vorkommenden Halbleitermaterialien nicht beschränkt, sofern diese zumindest teilweise Elektrolumineszenz aufweisen. Es werden beispielsweise Verbindungen aus den Elementen verwendet, die aus Indium, Gallium, Aluminium, Stickstoff, Phosphor, Arsen, Sauerstoff, Silizium, Kohlenstoff und Kombinationen daraus ausgewählt sind. Es können aber auch andere Elemente und Zusätze verwendet werden. Die Schichtenfolge mit einem aktiven Bereich kann beispielsweise auf Nitridverbindungshalbleitermaterialien basieren. „Auf Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial basierend“ bedeutet im vorliegenden Zusammenhang, dass die Halbleiterschichtenfolge oder zumindest ein Teil davon, ein Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial, vorzugsweise Al_nGa_mIn_1-n-mN aufweist oder aus diesem besteht, wobei 0 ≤ n ≤ 1, 0 ≤ m ≤ 1 und n+m ≤ 1. Dabei muss dieses Material nicht zwingend eine mathematisch exakte Zusammensetzung nach obiger Formel aufweisen. Vielmehr kann es beispielsweise ein oder mehrere Dotierstoffe sowie zusätzliche Bestandteile aufweisen. Der Einfachheit halber beinhaltet obige Formel jedoch nur die wesentlichen Bestandteile des Kristallgitters (Al, Ga, In, N), auch wenn diese teilweise durch geringe Mengen weiterer Stoffe ersetzt und/oder ergänzt sein können.
Die Halbleiterschichtenfolge kann als aktiven Bereich beispielsweise einen herkömmlichen pn-Übergang, eine Doppelheterostruktur, eine Einfach-Quantentopfstruktur (SQW-Struktur) oder eine Mehrfach-Quantentopfstruktur (MQW-Strukur) aufweisen. Die Halbleiterschichtenfolge kann neben dem aktiven Bereich weitere funktionelle Schichten und funktionelle Bereiche umfassen, etwa p- oder n-dotierte Ladungsträgertransportschichten, also Elektronen- oder Löchertransportschichten, p- oder n-dotierte Confinement- oder Cladding-Schichten, Pufferschichten und/oder Elektroden sowie Kombinationen daraus. Solche den aktiven Bereich oder die weiteren funktionellen Schichten und Bereiche betreffende Strukturen sind dem Fachmann insbesondere hinsichtlich Aufbau, Funktion und Struktur bekannt und werden von daher an dieser Stelle nicht näher erläutert.
Das pulverförmige Precursormaterial kann die keramische Schicht vollständig bilden. Alternativ können weitere Zusätze, welche nicht das pulverförmige Precursormaterial beinhalten, in der keramischen Schicht eingearbeitet werden. Das pulverförmige Precursormaterial kann zu einer Keramik oder zu einer Keramikschicht weiterverarbeitet werden. Die Keramikverarbeitung kann beispielsweise durch Spark Plasma Sintern (SPS) oder Tape Casting erfolgen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird die keramische Schicht als Wellenkonversionsschicht eingesetzt. Die Wellenkonversionsschicht kann in einer Leuchtdiode, beispielsweise einer Vollkonversionsleuchtdiode, enthalten sein. Vollkonversion meint hier und im Folgenden, dass der Leuchtstoff in Form eines Pulvers oder einer keramischen Schicht die von einem Halbleiterschichtenfolge emittierende Strahlung, hier als Primärstrahlung bezeichnet, vollständig in eine Strahlung mit veränderter Wellenlänge, hier als Sekundärstrahlung bezeichnet, umgewandelt wird. Alternativ kann die keramische Schicht oder der als Pulver ausgeformte Leuchtstoff die Primärstrahlung nur teilweise in eine Sekundärstrahlung umwandeln. Teilweise bedeutet hier, dass sowohl Primärstrahlung als auch Sekundärstrahlung als Gesamtemission aus der Leuchtdiode austreten. In der Wellenlängenkonversionsschicht kann somit ein pulverförmiges Precursormaterial eingesetzt werden, das ein Leuchtstoffprecursor ist und geringe Partikelgröße und damit eine gute Sinterfähigkeit aufweist. Der Einsatz in einer Wellenlängenkonversionsschicht kann als Pulver oder als weiterverarbeitete Keramik erfolgen. In beiden Fällen kann die Wellenlängenkonversionsschicht im Strahlengang der Leuchtdiode angeordnet sein und eine emittierte Primärstrahlung teilweise oder vollständig in eine Sekundärstrahlung mit unterschiedlicher, meist längerer Wellenlänge umwandeln.
Die Wellenlängenkonversionsschicht kann mit den üblichen Keramikherstellungsverfahren, wie sie im Zusammenhang mit dem pulverförmigen Precursormaterial angegeben sind, hergestellt werden. Um eine für den Keramikherstellungsprozess benötigte kleine Partikelgröße oder Korngröße bzw. Korngrößenwert des pulverförmigen Precursormaterials und die daraus resultierende Erhöhung der Sinterfähigkeit zu erreichen, müssten grobkörniges Pulver vergleichsweise stark gemahlen werden. Dies führt allerdings unter anderem zu einer schlechteren Effizienz der Materialien aufgrund von Schädigungen infolge zumindest eines Mahlvorganges z.B. durch Erzeugung von Splitterkorn, Aufbrechen einzelner Körner o.ä. sowie Verunreinigungen, die durch den langen Mahlprozess in das Mahlgut eingetragen werden. Dies resultiert unter anderem in einer geringen Quanteneffizienz. Dadurch, dass das pulverförmige Precursormaterial mit reaktiven Edukten hergestellt wird, ist es bereits so fein verteilt, dass längere Mahlprozesse vermieden werden können. Daher kann das pulverförmige Precursormaterial zu effizienten keramischen Wellenlängenkonversionsschichten verarbeitet werden.
Alternativ kann das pulverförmige Precursormaterial ohne Weiterverarbeitung zu einem keramischen Bauelement als pulverförmiges Konversionsmaterial in einem optoelektronischen Bauelement eingesetzt werden. Dazu kann das pulverförmige Precursormaterial in einen Volumenverguss verarbeitet werden. Das pulverförmige Precursormaterial kann dabei in einem Matrixmaterial, beispielsweise Silikon oder anderen geeigneten Matrixmaterialien eingebettet werden. Das pulverförmige Precursormaterial eingebettet in Matrixmaterial kann als Verguss, Schicht oder Folie ausgeformt sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Wellenlängenkonversionsschicht als Plättchen ausgeformt, wobei das Plättchen direkt auf einer Strahlungshauptseite der Halbleiterschichtenfolge angeordnet ist. Die Strahlungshauptseite bezeichnet hier eine Fläche der Halbleiterschichtenfolge, welche quer zur Wachstumsrichtung der Halbleiterschichtenfolge angeordnet ist. „Direkt“ bedeutet hier und im Folgenden, dass die Wellenlängenkonversionsschicht unmittelbar in mechanischem Kontakt mit der Strahlungshauptseite steht. Dabei sind keine weiteren Schichten und/oder Elemente zwischen der Wellenlängenkonversionsschicht und der Strahlungshauptseite angeordnet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wandelt die Wellenlängenkonversionsschicht die von der Halbleiterschichtenfolge emittierte elektromagnetische Primärstrahlung vollständig in eine elektromagnetische Sekundärstrahlung um.
Alternativ wandelt die Wellenlängenkonversionsschicht nur ein Teil, beispielsweise 70 % die von der Halbleiterschichtenfolge emittierte elektromagnetische Primärstrahlung in eine elektromagnetische Sekundärstrahlung um.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Wellenlängenkonversionsschicht in direktem Kontakt mit der Strahlungsquelle. So kann die Konversion der elektromagnetischen Primärstrahlung in die elektromagnetische Sekundärstrahlung zumindest teilweise nahe der Strahlungsquelle, beispielsweise in einem Abstand keramische Schicht und Strahlungsquelle von kleiner oder gleich 200 µm, bevorzugt kleiner oder gleich 50 µm erfolgen (so genannte „Chip Level Conversion“).
Gemäß einer Ausführungsform befindet sich die Wellenlängenkonversionsschicht in einem definierten Abstand von der Strahlungsquelle (so genannte „Remote Phosphor Conversion“).
Gemäß einer Ausführungsform ist die Wellenlängenkonversionsschicht von der Strahlungsquelle beabstandet. So kann zumindest teilweise die Konversion der elektromagnetischen Primärstrahlung in die elektromagnetische Sekundärstrahlung in einem großen Abstand zur Strahlungsquelle erfolgen. Beispielsweise in einem Abstand zwischen keramischer Schicht und Strahlungsquelle von größer oder gleich 200 µm, bevorzugt größer oder gleich 750 µm, besonders bevorzugt größer oder gleich 900 µm (so genannte „Remote Phosphor Conversion“).
Hier und im Folgenden bezeichnen Farbangaben in Bezug auf emittierende Leuchtstoffe oder Precursormaterialien den jeweiligen Spektralbereich der elektromagnetischen Strahlung.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform emittiert das Precursormaterial im roten Spektralbereich. Das rot-emittierende Precursormaterial kann als Pulver oder Keramik ausgeformt sein. Das rot-emittierende Precursormaterial kann im Strahlengang eines optoelektronischen Bauelements angeordnet sein.
Zusätzlich kann das optoelektronische Bauelement eine Schicht, welche im gelben Spektralbereich emittiert, aufweisen. Die gelb-emittierende Schicht kann als Pulver oder aus einem Pulver in einem Matrixmaterial vorliegen, z.B. Silikon, oder als Keramik ausgeformt sein. Die gelb-emittierende Schicht kann im Strahlengang eines optoelektronischen Bauelements angeordnet sein. Insbesondere können Yttrium-Aluminium-Granat (YAG) und/oder Lutetium-Aluminium-Granat (LuAG) in einer oder als gelb-emittierende Schicht verwendet werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist eine rot- und gelb-emittierende Schicht im Strahlengang der blau emittierenden Primärstrahlung in einem optoelektronischen Bauelement angeordnet. Die Primärstrahlung wird dabei nur teilweise von den rot- und gelb-emittierenden Schichten konvertiert, so dass die Gesamtemission des optoelektronischen Bauelements für einen äußeren Betrachter als warm-weißes Licht wahrgenommen wird.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist im Strahlengang des optoelektronischen Bauelements aufbauend auf den vorher genannten Ausführungsformen noch zumindest ein zusätzlicher Leuchtstoff oder ein zusätzliches Precursormaterial oder eine zusätzliche Leuchtstoffkeramik angeordnet. Prinzipiell kann der zusätzliche Leuchtstoff oder das zusätzliche Precursormaterial oder die zusätzliche Leuchtstoffkeramik irgendeine Wellenlänge aus dem sichtbaren Spektralbereich emittieren, z.B. im blauen oder grünen Spektralbereich. Die Gesamtemission des optoelektronischen Bauelements kann für einen äußeren Betrachter als weißes Licht wahrgenommen werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das pulverförmige Precursormaterial z.B. in einem Vergussmaterial als Konversionsschicht ausgebildet und in einem optoelektronischen Bauelement angeordnet. Die Konversionsschicht ist im Strahlengang des optoelektronischen Bauelements, welches eine Halbleiterschichtenfolge aufweist, angeordnet.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausführungsformen des Verfahrens, des pulverförmigen Precursormaterials und seiner Verwendung ergeben sich aus den folgenden Ausführungsbeispielen und Figuren.

Die 1 zeigt einen ersten Korngrößenwert d₅₀ und zweiten Korngrößenwert d₉₀ des pulverförmigen Precursormaterials von Ausführungsformen und von Vergleichsbeispielen, und
die 2 zeigt eine schematische Seitenansicht eines optoelektronischen Bauelements gemäß einer Ausführungsform.

Im Folgenden werden Vergleichsbeispiele V1, V2 und V3 zur Herstellung eines grobkörnigen Precursormaterials und Ausführungsbeispiele A1, A2 und A3 zur Herstellung von fein verteilten pulverförmigen Precursormaterialien angegeben.
Vergleichsbeispiel V1: Herstellung von CaAlSiN₃:Eu
50 g Ca₃N₂, 41 g AlN, 47 g Si₃N₄ (spezifische Oberfläche ungefähr 11 m²/g) und 5 g Eu₂O₃ werden unter Schutzgasatmosphäre eingewogen und homogenisiert. Anschließend wird die Eduktmischung leicht verdichtet für mehrere Stunden unter reduzierender Atmosphäre im Rohr- oder Kammerofen bei Temperaturen zwischen 1550 °C und 1800 °C geglüht. Anschließend können weitere Glühungen zur Anpassung der Korngröße bzw. des Korngrößenwerts, ebenfalls unter reduzierender Atmosphäre, zwischen 1550 °C und 1800 °C erfolgen. Nach anschließender Mahlung und Siebung des Glühkuchens resultiert ein grobkörniger Leuchtstoff mit der allgemeinen Formel CaAlSiN₃:Eu. Der in 1 und in der Tabelle 1 abgebildete grobkörnige Leuchtstoff weist nach der Aufarbeitung einen ersten Korngrößenwert d₅₀ von 9,4 µm und einen zweiten Korngrößenwert d₉₀ von 15,8 µm auf.
Vergleichsbeispiel V2: Herstellung von CaAlSiN₃:Eu
50 g Ca₃N₂, 41 g AlN, 47 g amorphes Si₃N₄ (spezifische Oberfläche ungefähr 110 m²/g) und 5 g Eu₂O₃ werden unter Schutzgasatmosphäre eingewogen und homogenisiert. Anschließend wird die Eduktmischung leicht verdichtet für mehrere Stunden unter reduzierender Atmosphäre im Rohr- oder Kammerofen bei Temperaturen zwischen 1300 °C und 1800 °C, zum Beispiel bei 1450 °C geglüht. Anschließend können weitere Glühungen zur Anpassung der Korngröße bzw. des Korngrößenwerts, ebenfalls unter reduzierender Atmosphäre, zwischen 1300 °C und 1800 °C, zum Beispiel bei 1450 °C erfolgen. Nach anschließender Mahlung und Siebung des Glühkuchens resultiert ein grobkörniger Leuchtstoff (siehe Tabelle 1).
Vergleichsbeispiel V3: Herstellung von CaAlSiN₃:Eu
50 g Ca₃N₂, 41 g AlN, 47 g amorphes Si₃N₄ (spezifische Oberfläche ungefähr 103 bis 123 m²/g) und 5 g Eu₂O₃ werden unter Schutzgasatmosphäre eingewogen und homogenisiert. Anschließend wird die Eduktmischung leicht verdichtet für mehrere Stunden unter reduzierender Atmosphäre im Rohr- oder Kammerofen bei Temperaturen zwischen 1300 °C und 1800 °C, zum Beispiel bei 1450 °C geglüht. Anschließend können weitere Glühungen zur Anpassung der Korngröße bzw. des Korngrößenwerts, ebenfalls unter reduzierender Atmosphäre, zwischen 1300 °C und 1800 °C, zum Beispiel bei 1450 °C erfolgen. Nach anschließender Mahlung und Siebung des Glühkuchens resultiert ein grobkörniger Leuchtstoff. Der grobkörnige Leuchtstoff weist einen ersten Korngrößenwert d₅₀ von 2,3 µm und einen zweiten Korngrößenwert d₉₀ von 4,9 µm auf (1 und Tabelle 1).
Ausführungsbeispiel A1: Herstellung von CaAlSiN₃:Eu
82 g Ca₃N₂, 68 g AlN, 78 g Si₃N₄ (spezifische Oberfläche ungefähr 11 m²/g) und 1 g Eu₂O₃ werden unter Schutzgasatmosphäre eingewogen und homogenisiert. Anschließend wird die Eduktmischung leicht verdichtet für mehrere Stunden unter reduzierender Atmosphäre im Rohr- oder Kammerofen bei Temperaturen zwischen 1300 °C und 1550 °C geglüht. Nach anschließender Mahlung und Siebung des Glühkuchens resultiert ein feinkörniges und sehr reaktives pulverförmiges Precursormaterial. Dieses Precursormaterial kann für keramische Materialien verwendet werden. Dieses pulverförmige Precursormaterial besteht neben der Phase CaAlSiN₃:Eu aus dem Zwischenprodukt CaSiN₂:Eu und noch unreagiertem AlN. Letztere setzen sich bei der Keramikherstellung vollständig zu dem gewünschten CaAlSiN₃:Eu um.
Ausführungsbeispiel A2: Herstellung von CaAlSiN₃:Eu
82 g Ca₃N₂, 68 g AlN, 78 g Si₃N₄ (spezifische Oberfläche ungefähr 13 m²/g) und 1 g Eu₂O₃ werden unter Schutzgasatmosphäre eingewogen und homogenisiert. Anschließend wird die Eduktmischung leicht verdichtet für mehrere Stunden unter reduzierender Atmosphäre im Rohr- oder Kammerofen bei Temperaturen zwischen 1300 °C und 1550 °C geglüht. Nach anschließender Mahlung und Siebung des Glühkuchens resultiert ein feinkörniges und reaktives CaAlSiN₃:Eu. Das pulverförmige Precursormaterial weist einen ersten Korngrößenwert d₅₀ von 1,2 µm und einen zweiten Korngrößenwert d₉₀ von 2,9 µm auf. Röntgenbeugung (XRD) bestätigt die Phasenreinheit des pulverförmigen Precursormaterials.
Ausführungsbeispiel A3: Herstellung von CaAlSiN₃:Eu
82 g Ca₃N₂, 68 g AlN, 78 g Si₃N₄ (spezifische Oberfläche ungefähr 14 m²/g) und 1 g Eu₂O₃ werden unter Schutzgasatmosphäre eingewogen und homogenisiert. Anschließend wird die Eduktmischung leicht verdichtet für mehrere Stunden unter reduzierender Atmosphäre im Rohr- oder Kammerofen bei Temperaturen zwischen 1300 °C und 1550 °C geglüht. Nach anschließender Mahlung und Siebung des Glühkuchens resultiert ein feinkörniges und reaktives CaAlSiN₃:Eu. Das pulverförmige Precursormaterial weist einen ersten Korngrößenwert d₅₀ von 1,3 µm und einen zweiten Korngrößenwert d₉₀ von 3,3 µm auf. Röntgenbeugung (XRD) bestätigt die Phasenreinheit des pulverförmigen Precursormaterials.

Die 1 zeigt zu den entsprechenden Vergleichsbeispielen V1, V2-1, V2-2 und V3 und den Ausführungsbeispiele A1-1, A1-2, A2 und A3 eine graphische Darstellung eines ersten Korngrößenwerts d₅₀ in µm und zweiten Korngrößenwerts d₉₀ in µm bei entsprechender Haltezeit t in Stunden h, Maximaltemperatur oder maximale Glühtemperatur T_max in °C und spezifischer Oberfläche A des Si₃N₄ in m²/g. Die Tabelle 1 zeigt zudem die Quanteneffizienz Q.E. in % des pulverförmigen Precusormaterials. Die Vergleichsbeispiele V2-1, V2-2 wurden analog dem Vergleichsbeispiel V2 hergestellt, wobei die Parameter, wie die spezifische Oberfläche A von Si₃N₄ in m²/g, maximale Glühtemperatur T_max in °C und/oder die maximale Haltezeit t in h, entsprechend der Tabelle 1 eingestellt wurden. Bei den Ausführungsbeispielen A1-1 und A1-2 wurde analog verfahren. Die Tabelle 1 zeigt zudem den ersten Korngrößenwert dso in µm, den zweiten Korngrößenwert d₉₀ in µm und die Quanteneffizient Q.E. in % des pulverförmigen Precursormaterials gemäß einer Ausführungsform und von Vergleichsbeispielen. Die Q.E. wurde dabei jeweils mit Pulvertablettenmessung bestimmt.

	A in m²/g	T_max in °c	t in h	d₅₀ in µm	d₉₀ in µm	Q.E. in %
V1	11	1580	4	9,4	15, 8	83
V2-1	110	1550	4	5,8	16,1	69
V2-2	110	1450	4	2,0	4,6	67
V3	103 bis 123	1450	2	2,3	4,9	51
A1-1	11	1450	4	1,4	3,3	77
A1-2	11	1450	2	1,1	3,0	68
A2	13	1450	2	1,2	2,9	70
A3	14	1450	2	1,3	3,3	70

Aus der Tabelle 1 ist zu entnehmen, dass bei Verwendung eines Si₃N₄ mit einer spezifischen Oberfläche von größer oder gleich 5 m²/g und kleiner oder gleich 100 m²/g als Edukt und eine Temperatur beim Glühen im Verfahrensschritt B) von kleiner oder gleich 1550 °C ein fein verteiltes pulverförmiges Precursormaterial erzeugt werden kann, welches einen sehr geringen ersten Korngrößenwert d₅₀ und/oder einen zweiten Korngrößenwert d₉₀ bei entsprechend hoher Quanteneffizienz aufweist. Die Haltezeit beträgt zwischen 2 und 4 Stunden.
In folgender Tabelle 2 wird der Einfluss der spezifischen Oberfläche AA von Aluminiumnitrid AlN in m²/g auf den ersten Korngrößenwert d₅₀ und zweiten Korngrößenwert d₉₀ des fein verteilten pulverförmigen Precursormaterials dargestellt. Die spezifische Oberfläche von ungefähr 11 m²/g von Siliziumnitrid wurde bei allen Experimenten konstant gehalten. Aus der Tabelle 2 ergibt sich, dass eine kleine spezifische Oberfläche von Aluminiumnitrid, insbesondere eine spezifische Oberfläche von ≤ 3,6 m²/g zu kleinen Korngrößen bzw. Korngrößenwerten führen. So zeigt beispielsweise ein pulverförmiges Precursormaterial, welches mit einem Aluminiumnitrid mit einer spezifischen Oberfläche von 3,1 bis 3,6 m²/g hergestellt wurde, einen ersten Korngrößenwert d₅₀ von 1,1 µm und einen zweiten Korngrößenwert d₉₀ von 3,9 µm.

AA in m²/g T_max in °C t in h d₅₀ in µm d₉₀ in µm

3,1 bis 3,6 1450 2 1,1 3,0

> 115 1450 2 4,3 17,8

2,3 bis 2,9 1450 2 1,4 4,2
Es konnte gezeigt werden, dass durch die spezifische Oberfläche der Nitride (Edukte) und die geeignet gewählte Temperatur ein pulverförmiges Precursormaterial gezielt hergestellt und in seinen Sintereigenschaften bzw. seiner Korngröße gesteuert werden kann. Damit ergibt sich die Möglichkeit, über die Partikelgröße Einfluss auf die Packungsdichte zum Beispiel beim Tape Casting zu nehmen. Im Allgemeinen sind Precursoren mit einem hohen d₉₀-Wert bzw. zweiten Korngrößenwert in der Keramikherstellung schwer oder gar nicht zu verarbeiten oder müssen in aufwändigen Mahlprozessen nachbearbeitet werden, die zu Effizienzverlusten und Verunreinigungen führen.
2 zeigt eine schematische Seitenansicht eines optoelektronischen Bauelements 100 am Ausführungsbeispiel einer Leuchtdiode (LED). Das optoelektronische Bauelement 100 weist eine Schichtenfolge 1 mit einem aktiven Bereich (nicht explizit gezeigt), einen ersten elektrischen Anschluss 2, einen zweiten elektrischen Anschluss 3, einen Bonddraht 4, einen Verguss 5, eine Gehäusewand 7, ein Gehäuse 8, eine Ausnehmung 9, ein Precursormaterial 6 zur Bildung einer keramischen Schicht 11 oder Wellenlängenkonversionsschicht 11, und ein Matrixmaterial 10 auf. Die Schichtenfolge 1 mit einem aktiven Bereich, welche die Wellenlängenkonversionsschicht 11 umfasst, ist innerhalb des optoelektronischen Bauelements, des Vergusses 5 und/oder der Ausnehmung 9 angeordnet. Der erste und zweite elektrische Anschluss 2, 3 sind unter der Schichtenfolge 1 mit einem aktiven Bereich angeordnet. Einen mittelbar und/oder unmittelbar direkten elektrischen und/oder mechanischen Kontakt weisen die Schichtenfolge 1 mit einem aktiven Bereich und der Bonddraht 4 und die Schichtenfolge 1 mit einem aktiven Bereich mit dem ersten und/oder dem zweiten elektrische Anschluss 2,3 auf.
Weiterhin kann die Schichtenfolge 1 mit einem aktiven Bereich auf einem Träger (hier nicht gezeigt) angeordnet sein. Bei einem Träger kann es sich beispielsweise um ein Printed Circuit Board (PCB), ein Keramiksubstrat, eine Leiterplatte oder eine Metallplatte, z.B. Aluminiumplatte handeln.
Alternativ ist eine trägerlose Anordnung der Schichtenfolge 1 bei so genannten Dünnfilmchips möglich.
Der aktive Bereich ist zur Emission elektromagnetischer Primärstrahlung in eine Abstrahlrichtung geeignet. Die Schichtenfolge 1 mit einem aktiven Bereich kann beispielsweise auf Nitridverbindungshalbleitermaterial basieren. Nitridverbindungshalbleitermaterial emittiert insbesondere elektromagnetische Primärstrahlung im blauen und/oder ultravioletten Spektralbereich. Insbesondere kann InGaN als Nitridverbindungshalbleitermaterial, welche eine elektromagnetische Primärstrahlung mit einer Wellenlänge von 460 nm aufweist, verwendet werden.
Im Strahlengang der elektromagnetischen Primärstrahlung ist die Wellenlängenkonversionsschicht 11 angeordnet. Das Matrixmaterial 10 ist beispielsweise Polymer- oder Keramikmaterial. Dabei ist die Wellenlängenkonversionsschicht 11 unmittelbar in direktem mechanischem und/oder elektrischem Kontakt auf der Schichtenfolge 1 mit einem aktiven Bereich angeordnet.
Alternativ können weitere Schichten und Materialien, wie beispielsweise der Verguss, zwischen der Wellenlängenkonversionsschicht und der Schichtenfolge 1 angeordnet sein (hier nicht gezeigt).
Alternativ kann die Wellenlängenkonversionsschicht 11 mittelbar oder unmittelbar an der Gehäusewand 7 eines Gehäuses 8 angeordnet sein (hier nicht gezeigt).
Alternativ ist es möglich, dass das Precursormaterial in einer Vergussmasse eingebettet ist (hier nicht gezeigt) und zusammen mit einem weiteren Material, z.B. einem Diffusor, 10 als Verguss 5 ausgeformt ist.
Die Wellenlängenkonversionsschicht 11 konvertiert zumindest teilweise die elektromagnetische Primärstrahlung in eine elektromagnetische Sekundärstrahlung. Beispielsweise wird die elektromagnetische Primärstrahlung im blauen Spektralbereich der elektromagnetischen Strahlung emittiert, wobei zumindest ein Teil dieser elektromagnetischen Primärstrahlung von der Wellenlängenkonversionsschicht 11 in eine elektromagnetische Sekundärstrahlung im roten und/oder grünen Spektralbereich und/oder Kombinationen daraus umgewandelt wird. Die aus dem optoelektronischen Bauelement austretende Gesamtstrahlung ist eine Überlagerung aus blau emittierender Primärstrahlung und rot und grün emittierender Sekundärstrahlung, wobei die für den äußeren Betrachter sichtbare Gesamtemission weißes Licht ist.
Die Wellenlängenkonversionsschicht 11 kann als Keramik oder Pulver ausgeformt sein und die elektromagnetische Primärstrahlung vollständig in elektromagnetische Sekundärstrahlung umwandeln. Die elektromagnetische Sekundärstrahlung weist dabei einen roten Spektralbereich auf.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die rot-emittierende Wellenlängenkonversionsschicht 11 als Keramik ausgeformt und zusätzlich mit einem als Pulver ausgeformten gelb- und/oder grün-emittierenden Leuchtstoff in einem optoelektronischen Bauelement angeordnet. Insbesondere weist das optoelektronische Bauelement eine Gesamtemission auf, welche für einen äußeren Betrachter als weißes Licht wahrgenommen wird.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die rot-emittierende Wellenlängenkonversionsschicht 11 als Keramik ausgeformt und zusätzlich oder alternativ mit einem als Keramik ausgeformten gelb- und/oder grün-emittierenden Leuchtstoff in einem optoelektronischen Bauelement angeordnet. Insbesondere weist das optoelektronische Bauelement eine Gesamtemission auf, welche für einen äußeren Betrachter als weißes Licht wahrgenommen wird.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die rot-emittierende Wellenlängenkonversionsschicht 11 als Pulver ausgeformt und zusätzlich mit einem als Keramik ausgeformten gelb- und/oder grün-emittierenden Leuchtstoff in einem optoelektronischen Bauelement angeordnet. Insbesondere weist das optoelektronische Bauelement eine Gesamtemission auf, welche für einen äußeren Betrachter als weißes Licht wahrgenommen wird.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die rot-emittierende Wellenlängenkonversionsschicht 11 als Pulver ausgeformt und zusätzlich mit zumindest einem als Pulver ausgeformten gelb- und/oder grün-emittierenden Leuchtstoff in einem optoelektronischen Bauelement angeordnet. Insbesondere weist das optoelektronische Bauelement eine Gesamtemission auf, welche für einen äußeren Betrachter als weißes Licht wahrgenommen wird.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die Primärstrahlung eine Wellenlänge aus dem UV-Spektralbereich auf. Die Wellenlängenkonversionsschicht 11 kann als Keramik oder Pulver ausgeformt sein und zusätzlich mit einem als Keramik oder Pulver ausgeformten gelb- und/oder grün-emittierenden Leuchtstoff und mit einem als Keramik oder Pulver ausgeformten blau-emittierenden Leuchtstoff in einem optoelektronischen Bauelement angeordnet sein. Insbesondere weist das optoelektronische Bauelement eine Gesamtemission auf, welche für einen äußeren Betrachter als weißes Licht wahrgenommen wird.
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele beschränkt, vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.
Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Patentanmeldung 10 2013 105 304.1 , deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines pulverförmigen Precursormaterials der folgenden allgemeinen Zusammensetzung I oder II oder III oder IV: I: (Ca_ySr_1-y)AlSiN₃:X1 II: (Ca_bSr_aLi_1-a-b) AlSi (N_1-cF_c):X2 III: z_5-δAl_4-2δSi_8+2δN₁₈:X3 IV: (Z_1-dLi_d)_5-δAl_4-2δSi_8+2δ(N_1-xF_x)₁₈:X4 wobei X1 und X2 und X3 und X4 jeweils ein Aktivator oder eine Kombination aus mehreren Aktivatoren ist, wobei der Aktivator aus der Gruppe der Lanthanoide, Mn²⁺ und/oder Mn⁴⁺ ausgewählt ist, wobei Z aus folgender Gruppe und Kombinationen daraus ausgewählt ist: Ca, Sr, Mg wobei gilt: 0 ≤ y ≤ 1 und 0 ≤ a < 1 und 0 ≤ b < 1 und 0 < c ≤ 1 und |δ| ≤ 0,5 und 0 ≤ x < 1 und 0 ≤ d < 1, mit den Verfahrensschritten A) Herstellen einer pulverförmigen Mischung von Edukten, wobei die Edukte Ionen der oben genannten Zusammensetzungen I und/oder II und/oder III und/oder IV umfasst, B) Glühen der Mischung unter Schutzgasatmosphäre, anschließendes Mahlen, wobei im Verfahrensschritt A) als Edukt mindestens ein Siliziumnitrid mit einer spezifischen Oberfläche von größer oder gleich 5 m²/g und kleiner oder gleich 100 m²/g ausgewählt wird, wobei das Glühen im Verfahrensschritt B) bei einer Temperatur von kleiner oder gleich 1550 °C durchgeführt wird.
Verfahren nach dem vorherigen Anspruch, wobei ein pulverförmiges Precursormaterial der allgemeinen Zusammensetzung I oder II oder III oder IV erzeugt ist, wobei das pulverförmige Precursormaterial einen ersten Korngrößenwert d₅₀ und einen zweiten Korngrößenwert d₉₀ aufweist, wobei der erste Korngrößenwert d₅₀ kleiner oder gleich als 2 µm und der zweite Korngrößenwert d₉₀ kleiner oder gleich als 3,5 µm ist.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Glühen im Verfahrensschritt B) bei einer Temperatur, welche aus dem Bereich von 1200 °C bis 1450 °C ausgewählt ist, durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Glühen im Verfahrensschritt B) bei einer Temperatur, welche aus dem Bereich von 1200 °C bis 1550 °C ausgewählt ist, durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Siliziumnitrid eine spezifische Oberfläche aus dem Bereich von 10 m²/g bis 30 m²/g aufweist.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei im Verfahrensschritt A) als Edukt AlN ausgewählt wird, wobei AlN eine spezifische Oberfläche von 1 bis 25 m²/g aufweist.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei im Verfahrensschritt A) als Edukte Carbonate, Oxide, Nitride, Carbide, Metalle und/oder Halogenide eingesetzt werden.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei im Verfahrensschritt A) zumindest das Siliziumnitrid teilkristallin oder kristallin ist.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Verfahrensschritt B) ein bis fünfmal durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei während des Glühens im Verfahrensschritt B) eine Haltezeit eingehalten wird, die aus dem Bereich von 1 Minute bis 24 Stunden ausgewählt ist.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei in einem auf den Verfahrensschritt B) folgenden Verfahrensschritt C) das pulverförmige Precursormaterial in Lauge und/oder Säure gewaschen wird.
Pulverförmiges Precursormaterial, das mit einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11 hergestellt ist.
Pulverförmiges Precursormaterial zur Verwendung für einen Leuchtstoff der folgenden allgemeinen Zusammensetzung I oder II oder III oder IV: I: (Ca_ySr_1-y)AlSiN₃:X1 II: (Ca_bSr_aLi_1-a-b) AlSi(N_1-cF_c)₃:X2 III: Z_5-δAl_4-2δSi_8+2δN₁₈:X3 IV: (Z_1-dLi_d)_5-δAl_4-2δSi₈₊₂₅(N_1-xF_x)₁₈:X4

wobei X1 und X2 und X3 und X4 jeweils ein Aktivator oder eine Kombination aus mehreren Aktivatoren ist, wobei der Aktivator aus der Gruppe der Lanthanoide, Mn²⁺ und/oder Mn⁴⁺ ausgewählt ist, wobei Z aus folgender Gruppe und Kombinationen daraus ausgewählt ist: Ca, Sr, Mg wobei gilt: 0 ≤ y < 1 und 0 ≤ a < 1 und 0 ≤ b < 1 und 0 < c ≤ 1 und |δ| ≤ 0,5 und 0 ≤ x < 1 und 0 ≤ d < 1, wobei das Precursormaterial einen ersten Korngrößenwert d₅₀ und einen zweiten Korngrößenwert d₉₀ aufweist, wobei der erste Korngrößenwert d₅₀ kleiner oder gleich als 2 µm und der zweite Korngrößenwert d₉₀ kleiner oder gleich als 3,5 µm ist.
Pulverförmiges Precursormaterial nach vorherigem Anspruch, wobei der erste Korngrößenwert d₅₀ einen Wert von 1 ± 0,3 µm und/oder der zweite Korngrößenwert d₉₀ einen Wert von 3 ± 0,3 µm aufweist.
Verwendung eines pulverförmigen Precursormaterials gemäß dem Anspruch 12 oder 13 oder 14 zur Bildung einer keramischen Schicht (11) eines optoelektronischen Bauelements (100), wobei die keramische Schicht (11) im Strahlengang des optoelektronischen Bauelements, welches eine Halbleiterschichtenfolge (1) aufweist, angeordnet ist.
Verwendung nach Anspruch 15, wobei die keramische Schicht (11) als Wellenlängenkonversionsschicht eingesetzt wird.
Verwendung nach vorherigem Anspruch, wobei die Wellenlängenkonversionsschicht als Plättchen ausgeformt ist, wobei das Plättchen direkt auf einer Strahlungshauptseite der Halbleiterschichtenfolge (1) angeordnet ist.
Verwendung nach Anspruch 16, wobei die Wellenlängenkonversionsschicht die von der Halbleiterschichtenfolge (1) emittierte elektromagnetische Primärstrahlung vollständig in eine elektromagnetische Sekundärstrahlung umwandelt.
Verwendung nach Anspruch 15, wobei im Strahlengang des optoelektronischen Bauelements zur Erzeugung von weißem Licht zumindest ein zusätzlicher Leuchtstoff oder ein zusätzliches Precursormaterial oder eine zusätzliche Leuchtstoffkeramik angeordnet ist.
Verwendung eines pulverförmigen Precursormaterials nach Anspruch 15 in einem optoelektronischen Bauelement (100), wobei das pulverförmige Precursormaterial als Pulver ausgeformt ist, wobei das Pulver im Strahlengang des optoelektronischen Bauelements, welches eine Halbleiterschichtenfolge (1) aufweist, angeordnet ist.