DE112014004238T5

DE112014004238T5 - Dünnfilm-Wellenlängenkonverter und Verfahren zu deren Herstellung

Info

Publication number: DE112014004238T5
Application number: DE112014004238.2T
Authority: DE
Inventors: Darshan Kundaliya; Kailash Mishra
Original assignee: Osram Sylvania Inc
Current assignee: Osram Sylvania Inc
Priority date: 2013-09-16
Filing date: 2014-09-03
Publication date: 2016-06-09
Also published as: CN105518881B; US20150078010A1; US9206958B2; US20160111608A1; CN105518881A; WO2015038386A1

Abstract

Dünnfilm-Wellenlängenkonverter und Verfahren zu deren Herstellung werden offenbart. Bei einigen Ausführungsformen enthalten die Dünnfilmkonverter eine erste Dünnfilmschicht aus einem ersten Wellenlängenkonversionsmaterial, eine leitende Schicht und eine zweite Dünnfilmschicht aus einem zweiten Wellenlängenkonversionsmaterial. Bei einer Ausführungsform wird eine Photoresistmaske auf der leitenden Schicht aufgebracht, um ein Muster auszubilden durch das das zweite Wellenlängenkonversionsmaterial durch elektrophoretische Abscheidung auf den exponierten Gebieten der Oberfläche der leitenden Schicht aufgebracht werden kann.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNG
Die vorliegende Anmeldung ist eine internationale Anmeldung, die den Vorteil der am 16. September 2013 eingereichten US-Patentanmeldung Nr. 14/027,507 mit dem Titel „Thin Film Wavelength Converters and Methods for Making the Same“ beansprucht, deren ganzer Inhalt durch Bezugnahme hier aufgenommen ist.
ERFINDUNGSGEBIET
Die vorliegende Anmeldung betrifft Dünnfilm-Wellenlängenkonverter und insbesondere Verfahren zum Herstellen von Dünnfilm-Wellenlängenkonvertierungsstrukturen.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Festkörper-Lichtquellen wie etwa Leuchtdioden (LEDs) generieren sichtbares oder unsichtbares Licht in einem spezifischen Bereich des elektromagnetischen Spektrums. Eine LED kann Licht beispielsweise im blauen, roten, grünen oder UV-Bereich des elektromagnetischen Spektrums emittieren, je nach der Materialzusammensetzung der LED. Wenn erwünscht ist, eine LED-Lichtquelle zu konstruieren, die Licht mit einer von der Ausgangsfarbe der LED verschiedenen Farbe erzeugt, wird dies erreicht durch Herunterkonvertieren der emittierten Strahlung („primäres Licht“) von einer LED-Quelle in Strahlungen mit einer längeren Wellenlänge („sekundäres Licht“ und „tertiäres Licht“, wie benötigt) durch ein Lumineszenzmaterial über den Prozess der Fotolumineszenz.
Die Fotolumineszenz beinhaltet im Allgemeinen das Absorbieren von höher energetischer Strahlung (Photonen) und die Emission von Strahlung mit längeren Wellenlängen durch ein wellenlängenkonvertierendes Material („Konversionsmaterial“) wie etwa einen Leuchtstoff oder eine Mischung von Leuchtstoffen. Dieser Prozess kann als „Wellenlängenkonversion“ bezeichnet werden. Eine LED, die mit einer wellenlängenkonvertierenden Struktur kombiniert ist, die ein Konversionsmaterial wie etwa Leuchtstoff enthält, um sekundäres oder tertiäres Licht zu erzeugen, kann als eine „Leuchtstoff konvertierte LED-“ oder „wellenlängenkonvertierte LED-“Lichtquelle bezeichnet werden.
Bei einer bekannten Konfiguration ist ein LED-Die wie etwa ein III-Nitrid-Die in einem Reflektorschalen-Package positioniert. Um primäres Licht von einer LED in sekundäres Licht zu konvertieren, und zwar partiell oder vollständig, muss ein wellenlängenkonvertierendes Material in einem Design einer Lichtquelle enthalten sein. Dieses Material könnte in der Form von Pulver oder einer selbsttragenden „Platte“ wie etwa einer Keramik- oder einkristallinen Platte vorliegen. Die Platte kann z.B. durch Bonden, Sintern, Kleben usw. direkt an dem LED-Die angebracht werden. Solche Konfigurationen können als „Chipebenenkonversion“ oder „CLC“ (Chip Level Conversion) verstanden werden. Die „Chipebenenkonversion“ beinhaltet auch eine direkte Abscheidung eines Konversionsmaterials auf dem LED-Chip oder eine Abscheidung eines Verbundmaterials, das aus Partikeln aus Konversionsmaterialien, die in Silikon dispergiert sind, besteht. Alternativ kann die Platte entfernt von der LED positioniert werden. Eine derartige Konfiguration kann als eine „entfernte Konversion“ verstanden werden.
Außerdem ist es immer erwünscht, wellenlängenkonvertierende Materialien zu nutzen, die durch eine LED emittiertes primäres Licht partiell oder vollständig in sekundäres und/oder tertiäres Licht konvertieren können, um Licht mit einer gewünschten korrelierten Farbtemperatur herzustellen. Insbesondere ist das Interesse an der Herstellung von wellenlängenkonvertierenden Strukturen gewachsen, um „warmweiße“ Lichtquellen herzustellen, das heißt, dass das durch die Lichtquelle generierte Licht weiß ist und eine Farbtemperatur im Bereich von etwa 2500–3500 K besitzt. Wenngleich warmweiße LED-Lampen unter Verwendung von wellenlängenkonvertierenden Strukturen entwickelt worden sind, die ein oder mehrere Leuchtstoffpulver enthalten, die in einem polymeren Bindemittel (z.B. Silikon) dispergiert sind, besitzen solche Konverter viele Nachteile. Beispielsweise kann der pulverförmige Leuchtstoff in Silikon dem Wärmemanagement einer LED-Lampe Beschränkungen auferlegen, was sich auf die Leistung und die Lebensdauer der Lampe negativ auswirken kann.
Somit besteht in der Technik ein Bedarf nach wellenlängenkonvertierenden Strukturen, die sekundäres und/oder tertiäres Licht mit erwünschten optischen Kennlinien erzeugen können und die einige oder alle der Beschränkungen eines pulverförmigen Leuchtstoffs in einem Silikonkonverter vermeiden können.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Es wird nun auf die folgende ausführliche Beschreibung Bezug genommen, die in Verbindung mit den folgenden Figuren gelesen werden sollte:
1A und 1B veranschaulichen beispielhafte Lichtquellen mit einem Wellenlängenkonverter, der für eine Chipebenenkonversion bzw. eine entfernte Konversion positioniert ist, gemäß der vorliegenden Offenbarung.
2A–2D veranschaulichen schrittweise einen beispielhaften Prozess zum Ausbilden eines voll-anorganischen Wellenlängenkonverters gemäß der vorliegenden Offenbarung.
3 ist ein Flussdiagramm, das beispielhafte Operationen zum Ausbilden eines voll-anorganischen Wellenlängenkonverters gemäß 2D veranschaulicht.
4A–4G veranschaulichen schrittweise einen weiteren beispielhaften Prozess zum Ausbilden eines voll-anorganischen Wellenlängenkonverters gemäß der vorliegenden Offenbarung.
5 ist ein Flussdiagramm, das beispielhafte Operationen zum Ausbilden eines voll-anorganischen Wellenlängenkonverters gemäß 4A–4G veranschaulicht.
6A–6D veranschaulichen schrittweise einen weiteren beispielhaften Prozess zum Ausbilden eines weiteren voll-anorganischen Wellenlängenkonverters gemäß der vorliegenden Offenbarung.
7 ist ein Flussdiagramm, das beispielhafte Operationen zum Ausbilden eines voll-anorganischen Wellenlängenkonverters gemäß 6D veranschaulicht.
8A–8G veranschaulichen schrittweise einen weiteren beispielhaften Prozess zum Ausbilden eines weiteren voll-anorganischen Wellenlängenkonverters gemäß der vorliegenden Offenbarung.
9 ist ein Flussdiagramm, das beispielhafte Operationen zum Ausbilden eines voll-anorganischen Wellenlängenkonverters gemäß 8A–8G veranschaulicht.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Wie hierin verwendet, bedeuten die Ausdrücke „etwa“ und „substantiell“, wenn sie in Verbindung mit einem Zahlenwert oder -bereich verwendet werden, +/–5% des angeführten Zahlenwerts oder -bereichs.
Gelegentlich werden ein oder mehrere Aspekte der vorliegenden Offenbarung möglicherweise unter Verwendung eines Zahlenbereichs beschrieben. Sofern nicht hier etwas anderes angegeben wird, sollte ein etwaiger angeführter Bereich so ausgelegt werden, dass er iterative Werte zwischen angegebenen Endpunkten enthält, als wenn solche iterativen Werte ausdrücklich aufgeführt würden. Solche Bereiche sollten auch so ausgelegt werden, dass sie etwaige und alle Bereiche enthalten, die innerhalb oder zwischen solche iterative Werte und/oder aufgeführte Endpunkte fallen, als wenn solche Bereiche hier ausdrücklich aufgeführt wären.
Der vorliegenden Offenbarung halber bezieht sich der Ausdruck „primäres Licht“ auf Licht, das durch eine Leuchtdiode in einer Lichtquelle emittiert wird.
Der Ausdruck „sekundäres Licht“, wie er hier verwendet wird, bedeutet Licht, das durch eine Photolumineszenzkonversion von primärem Licht durch mindestens ein erstes Wellenlängenkonversionsmaterial erzeugt wird.
Der Ausdruck „tertiäres Licht“ soll hier Licht bedeuten, das durch Photolumineszenzkonversion von primärem und/oder sekundärem Licht durch mindestens ein zweites Wellenlängenkonversionsmaterial erzeugt wird. Bei einigen Ausführungsformen befindet sich das zweite Wellenlängenkonversionsmaterial hinter dem ersten Wellenlängenkonversionsmaterial (z.B. als Teil einer Schicht distal von einer Quelle primären Lichts). Alternativ oder zusätzlich kann das zweite Wellenlängenkonversionsmaterial homogen oder heterogen mit dem ersten Wellenlängenkonversionsmaterial vermischt (oder anderweitig darin verteilt) oder eine Kombination davon sein. (Konversionsmaterial höherer Ordnung wie etwa quaternäres Wellenlängenmaterial kann auf ähnliche Weise definiert werden. Sekundäres Wellenlängenkonversionsmaterial kann eine Kombination aus zwei verschiedenen rot-emittierenden Materialien oder rot/orange-emittierenden Materialien sein.
Der Ausdruck „Ausgabelicht“ wird hier verwendet, um Licht zu bedeuten, das von einer als eine Lichtquelle bezeichneten Lampe ausgegeben wird, das heißt Licht, das von einer Lampe in einem Gebiet distal zu einem Wellenlängenkonverter ausgegeben wird. Ausgabelicht kann primäres Licht, sekundäres Licht, tertiäres Licht, Kombinationen davon und dergleichen beinhalten. Ohne Beschränkung besitzt Ausgabelicht gemäß der vorliegenden Offenbarung bevorzugt eine Farbtemperatur im Bereich von etwa 2000 K bis etwa 4500 K, wie etwa 3000 K. Natürlich kann Ausgabelicht mit anderen Farbtemperaturen verwendet werden und wird durch die vorliegende Offenbarung in Betracht gezogen.
Bezugnahmen auf die Farbe eines Leuchtstoffs-, LED- oder Konversionsmaterials beziehen sich allgemein auf seine Emissionsfarbe, sofern nicht etwas anderes angegeben ist. Somit emittiert eine blaue LED blaues Licht, ein gelber Leuchtstoff emittiert gelbes Licht usw.
Ein Aspekt der vorliegenden Offenbarung betrifft Wellenlängenkonverter für Festkörper-Lichtquellen. Allgemein enthalten die Wellenlängenkonverter der vorliegenden Offenbarung mindestens ein erstes Konversionsmaterial zum Konvertieren von durch eine Festkörper-Lichtquelle emittiertem primärem Licht in sekundäres Licht. Außerdem enthalten die hierin beschriebenen Wellenlängenkonverter mindestens ein zweites Konversionsmaterial zum Konvertieren mindestens eines Teils von unkonvertiertem primärem Licht und/oder sekundärem Licht von dem ersten Konversionsmaterial in tertiäres Licht.
Wie man vielleicht versteht, wird durch ein zweites Leuchtstoffmaterial erzeugtes tertiäres Licht (nach Definition) andere Spektralkennlinien als durch ein erstes Leuchtstoffmaterial erzeugtes sekundäres Licht besitzen. Somit kann die Farbtemperatur des Ausgabelichts von einer Lampe durch Steuern der Art oder Kennlinie und relativen Konzentration des ersten und/oder zweiten Leuchtstoffs eingestellt werden. Falls beispielsweise die Kennlinien eines ersten Leuchtstoffmaterials konstant gehalten werden, kann eine Kontrolle der korrelierten Farbtemperatur des Ausgabelichts von einer Lampe durch Einstellen des Typs, der Kennlinie und/oder der Konzentration des zweiten Konversionsmaterials erreicht werden. Wenngleich jeder Typ von Wellenlängenkonverter gemäß der vorliegenden Offenbarung verwendet werden kann, liegen die hierin beschriebenen Wellenlängenkonverter in nicht-beschränkenden bevorzugten Ausführungsformen in der Form einer wellenlängenkonvertierenden Platte vor, die eine oder mehrere Schichten (z.B. Dünnfilme) aus Konversionsmaterial enthält. Der Klarheit halber wird ein Wellenlängenkonverter dieses Typs hier als ein „Dünnfilmkonverter“ bezeichnet. Bei einigen Ausführungsformen liegen Wellenlängenkonverter der vorliegenden Offenbarung in der Form eines Dünnfilmkonverters vor, der eine oder mehrere Schichten aus mindestens einem ersten Wellenlängenkonversionsmaterial und eine oder mehrere Schichten aus mindestens einem zweiten Wellenlängenkonversionsmaterial enthält.
Es wird nun auf die 1A und 1B Bezug genommen, die schematisch die Struktur von zwei beispielhaften Lampenkonfigurationen gemäß der vorliegenden Offenbarung veranschaulichen. In 1A enthält eine LED-Lichtquelle 100 eine LED 102, die auf einer nicht bezeichneten oberen Oberfläche eines Trägers 101 vorliegt. Die LED-Lichtquelle 100 enthält weiterhin einen Wellenlängenkonverter 103, der in diesem Fall auf einer nicht bezeichneten lichtemittierenden Oberfläche der LED 102 angeordnet ist. Der Einfachheit und der Leichtigkeit des Verständnisses halber ist der Konverter 103 in 1A und 1B als eine einzelne Struktur dargestellt. Wie jedoch später erörtert wird, enthält der Konverter 103 mehrere Schichten (z.B. Dünnfilme) aus verschiedenen Materialien, einschließlich mindestens einer Schicht aus einem ersten Konversionsmaterial, einer leitenden Schicht und mindestens einer Schicht aus einem zweiten Konversionsmaterial. Weil der Konverter 103 an einer Oberfläche der LED 102 anstößt, kann es so verstanden werden, dass die LED-Lichtquelle 100 in 1A eine CLC-Struktur (Chip Level Conversion – Chipebenenkonversion) besitzt.
Wie weiter in 1A dargestellt, kann mindestens ein Teil des von der LED 102 emittierten primären Lichts 104 auf den Konverter 103 auftreffen und von ihm absorbiert werden. Die Absorption von primärem Licht 104 kann erste und/oder zweite Konversionsmaterialien innerhalb des Konverters 103 auf einen höheren energetischen Zustand anregen. Wenn solche Konversionsmaterialien auf einen niedrigeren energetischen Zustand relaxieren, können sie nicht bezeichnetes sekundäres und/oder tertiäres Licht emittieren. Ausgabelicht 105 distal von (d.h. hinter dem) Konverter 103 kann von der LED-Lichtquelle 100 emittiert werden und kann eine Kombination aus sekundärem und tertiärem Licht enthalten. Falls durch den Konverter 103 nicht alles primäre Licht 104 konvertiert wird, kann das Ausgabelicht 105 auch unkonvertiertes primäres Licht enthalten. Das Verhältnis aus primärem, sekundärem und tertiärem Licht in dem Ausgabelicht 105 kann durch die effektive Konversionseffizienz der den Konverter 103 bildenden Konversionsmaterialien bestimmt werden.
1B enthält die gleichen Elemente wie 1A, und somit werden die Art und die Funktion solcher Elemente nicht wiederholt. Im Gegensatz zu 1A jedoch ist der Konverter 103 in 1B in einem gewissen Abstand weg von einer lichtemittierenden Oberfläche der LED 102 platziert. Weil der Konverter 103 von der LED 102 „abgesetzt“ ist, kann 1B so verstanden werden, dass sie eine LED-Lichtquelle mit einer „entfernten Leuchtstoff“-Konfiguration darstellt.
Im Interesse der Klarheit und zum Erleichtern des Verständnisses stellen die 1A und 1B die Struktur der LED-Lichtquelle 100 in vereinfachter Form dar. Es versteht sich, dass die LED-Lichtquelle 100 eine beliebige Anzahl anderer Komponenten enthalten kann, die in einer Lampe enthalten sein können. Zu solchen Komponenten können beispielsweise eine Ansteuerelektronik, Reflektoren, ein Gehäuse, ein oder mehrere Kühlkörper, ein oder mehrere Diffusoren, Kombinationen davon und dergleichen zählen.
Die LED 102 ist in 1A und 1B der Klarheit halber als eine einzelne Struktur dargestellt. Wenngleich diese Konfiguration nützlich ist, versteht sich, dass die LED 102 mehrere LEDs enthalten kann, die in einem Muster oder einem Array angeordnet sein können. Solche Strukturen werden hierin als ein „LED-Kern“ bezeichnet. Die Anzahl und Verteilung von LEDs in einem LED-Kern kann stark variieren. Beispielsweise können die hierin beschriebenen LED-Kerne mehr als 1 bis etwa 100 LEDs oder mehr enthalten. Bei einigen Ausführungsformen enthalten die LED-Kerne von etwa 2 bis etwa 75 LEDs, etwa 3 bis etwa 50 LEDs, etwa 4 bis etwa 30 LEDs, etwa 5 bis etwa 25 LEDs oder sogar etwa 10 bis etwa 20 LEDs. Natürlich werden durch die vorliegende Offenbarung LED-Kerne mit einer beliebigen Anzahl an LEDs in Betracht gezogen, und sie können gemäß den hierin beschriebenen Lichtquellen verwendet werden.
Die LED 102 (oder ein entsprechender LED-Kern) kann eine beliebige bekannte LED sein, einschließlich unter anderem eine III-V-Nitrid-LED wie etwa eine InGaN-LED. Die LED 102 ist eine Quelle primären Lichts. Bei einigen Ausführungsformen ist die LED 102 ein LED-Kern, der eine oder mehrere blaue LEDs enthält, das heißt LEDs, die primäres Licht im blauen Teil des sichtbaren Bereichs des elektromagnetischen Spektrums emittieren (z.B. von etwa 450 bis etwa 500 nm). Natürlich können auch LEDs verwendet werden, die in anderen Bereichen des elektromagnetischen Spektrums emittieren. Beispielsweise kann die LED 102 bei einigen Ausführungsformen ein LED-Kern sein, der eine Kombination aus blauen und roten LEDs enthält.
Unter Berücksichtigung des oben Gesagten betrifft ein Aspekt der vorliegenden Offenbarung Dünnfilmkonverter, die mehrere Schichten aus Wellenlängenkonversionsmaterialien enthalten. Insbesondere betrifft ein Aspekt der vorliegenden Offenbarung Dünnfilmkonverter, die mindestens eine Schicht aus mindestens einem ersten Wellenlängenkonversionsmaterial und mindestens eine Schicht aus mindestens einem zweiten Wellenlängenkonversionsmaterial enthalten. Ohne Beschränkung liegen die Schichten aus dem ersten und zweiten Wellenlängenkonversionsmaterial bevorzugt in der Form einer oder mehrerer voll-anorganischer Dünnfilme vor.
Wie unten ausführlich beschrieben wird, können die Schichten aus erstem und zweitem Wellenlängenkonversionsmaterial gewünschte Konversionscharakteristika für primäres und/oder sekundäres Licht bereitstellen, während einige oder alle der Beschränkungen von Leuchtstoffpulver und/oder keramischem Leuchtstoff, der oder das in Silikon eingebettet ist, gemildert oder vermieden werden. Insbesondere können die Wellenlängenkonversionsmaterialien derart gewählt und/oder abgeschieden werden, dass sie Wellenlängenkonversionscharakteristika besitzen, damit eine Lichtquelle Ausgabelicht mit erwünschten optischen Eigenschaften erzeugen kann.
Bei einigen Ausführungsformen können beispielhafte Wellenlängenkonverter gemäß der vorliegenden Offenbarung primäres Licht mit einer ersten spektralen Kennlinie in sekundäres und tertiäres Licht mit einer zweiten bzw. dritten spektralen Kennlinie konvertieren, um die Erzeugung von Ausgabelicht mit einer gewünschten vierten spektralen Kennlinie zu erhalten. Beispielsweise können die hierin beschriebenen ersten wellenlängenkonvertierenden Materialien konfiguriert sein zum Konvertieren von primärem Licht mit einer ersten Wellenlängenverteilung (z.B. blaues Licht im Bereich von etwa 450 bis etwa 500 nm) in sekundäres Licht mit einer zweiten Wellenlängenverteilung (d.h. Licht im Bereich von 450–700 nm). Zudem können die zweiten wellenlängenkonvertierenden Materialien konfiguriert sein zum Konvertieren von primärem und/oder sekundärem Licht in tertiäres Licht mit einer dritten Wellenlängenverteilung (z.B. grünes, orangefarbenes, bernsteinfarbenes, gelbes und/oder rotes Licht im Bereich von etwa 600 bis etwa 760 nm). Natürlich sind solche Wellenlängenbereiche nur beispielhaft und beliebige geeignete Wellenlängenbereiche können verwendet werden. Tatsächlich können, wie unten beschrieben wird, die optischen Charakteristika der mindestens einen ersten und zweiten wellenlängenkonvertierenden Schicht auf unterschiedliche Weisen eingestellt werden, wie etwa durch Steuern ihrer Zusammensetzung, ihrer Dicke, der Art und Weise, wie sie abgeschieden werden, und Kombinationen davon.
Die Dünnfilmkonverter der vorliegenden Offenbarung können optional ein Substrat enthalten. Falls das Substrat verwendet wird, kann es die Funktion ausführen, eine oder mehrere Schichten aus Konversionsmaterial darauf zu stützen. In dieser Hinsicht können die hierin beschriebenen Substrate in der Lage sein, eine oder mehrere Schichten aus wellenlängenkonvertierenden und/oder anderen Materialien auf ihrer oder ihren Oberflächen zu stützen. Bei einigen Ausführungsformen sind Substrate gemäß der vorliegenden Offenbarung im Allgemeinen planar und besitzen eine erste (obere) und zweite (untere) Oberfläche, von denen jeweils eine einen oder mehrere Dünnfilme aus einem ersten und/oder zweiten Wellenlängenkonversionsmaterial stützen kann.
Beliebige geeignete Materialien können verwendet werden, um die hierin beschriebenen Substrate auszubilden. Als nicht-beschränkende Beispiele für geeignete Substratmaterialien werden Einkristalle oder polykristalline Materialien erwähnt, die unter Verwendung bekannter keramischer Dünnfilmabscheidungs- oder Kristallaufwachsverfahren zu einer starren Plattenstruktur ausgebildet werden. Zu nicht-beschränkenden Beispielen für nützliche einkristalline Substratmaterialien zählen Leuchtstoffkeramiken wie etwa YAG:Ce (Cerium-dotierter Yttriumaluminiumgranat) (100), LuAG:Ce (Cerium-dotierter Lutetiumaluminiumgranat), Saphire wie etwa c-Saphir (0001) und r-Saphir (1102), Galliumnitrid, Aluminiumgalliumnitrid (AlGaN) und Indiumgalliumnitrid (InGaN). Zu nicht-beschränkenden Beispielen für nützliche polykristalline Substratmaterialien zählen YAG, seltenerddotierter YAG, seltenerddotierter LuAG, Nitridleuchtstoffkeramiken wie etwa M₂Si₅N₈:Eu²⁺, wobei M = Ca, Sr, Ba, Oxynitrid-Leuchtstoffkeramiken wie etwa MSi₂O₂N₂:Eu²⁺, wobei M = Ca, Sr, Ba, transparentes Aluminiumoxid (Al₂O₃), Leuchtstoffkeramiken, Aluminiumnitrid (AlN), Yttriumoxid-stabilisiertes Zirconiumoxid (YSZ), Zirconiumoxide, Galliumnitrid, Aluminiumgalliumnitrid (AlGaN) und Indiumgalliumnitrid (InGaN). Natürlich sind solche Materialien nur beispielhaft und die hierin beschriebenen Substrate können auf anderen monokristallinen oder polykristallinen Materialien ausgebildet werden (z.B. GaN, Quarz, Silikatleuchtstoffkeramik usw.), wie dem Fachmann bekannt ist.
Wie zuvor angemerkt, brauchen die hierin beschriebenen Wellenlängenkonverter kein Substrat, wie etwa jene oben beschriebenen zu enthalten. Tatsächlich kann bei einigen Ausführungsformen die Oberfläche einer Leuchtdiode als ein Substrat für die hier beschriebenen Wellenlängenkonversionsschichten dienen. Alternativ oder zusätzlich können eine oder mehrere Schichten aus einem ersten und/oder zweiten Wellenlängenkonversionsmaterial als Substrat verwendet werden, auf dem andere Konversionsschichten und/oder leitende Schichten abgeschieden werden können. Ohne Beschränkung werden bei einigen Ausführungsformen eine oder mehrere Schichten aus ersten Wellenlängenkonversionsmaterialien bevorzugt als Substrat für die nachfolgende Abscheidung zusätzlicher Schichten aus ersten Wellenlängenkonversionsmaterialien, leitendem Material und/oder zweiten Wellenlängenkonversionsmaterialien verwendet.
Bei einigen Ausführungsformen enthalten die Dünnfilmwellenlängenkonverter der vorliegenden Offenbarung zu ein Substrat, das hohen Temperaturen standhalten kann, die während der Abscheidung und/oder Nachbearbeitung einer oder mehrerer Schichten aus ersten und/oder zweiten Wellenlängenkonversionsmaterialien verwendet werden können. Bei einigen Ausführungsformen beispielsweise können die hierin beschriebenen Substrate in der Lage sein, Temperaturen standzuhalten, die größer oder gleich 400°C, 600°C, 800°C, 1000°C, 1100°C, 1200°C, 1300°C, 1400°C, 1500°C, 1600°C, 1700°C, 1800°C, 1900°C oder sogar 2000°C sind, denen es während der Abscheidung und/oder der Nachbearbeitung einer oder mehrerer Schichten aus Wellenlängenkonversionsmaterial ausgesetzt sein kann. Eine derartige hohe Temperaturbeständigkeit kann in Fällen erwünscht sein, wo einer oder mehrere der auf dem Substrat abgeschiedenen Dünnfilme einer hohen Temperatur nach der Bearbeitung ausgesetzt sein kann, wie etwa einem Hochtemperaturtempern. Saphir und Quarz sind nicht-beschränkende Beispiele für geeignete Hochtemperatursubstratmaterialien, wenngleich auch andere Materialien mit hoher Temperaturbeständigkeit verwendet werden können.
Bei weiteren Ausführungsbeispielen können die Substrate der vorliegenden Offenbarung zu einem oder mehreren Abschnitten einer Lampe und/oder einer Festkörper-Lichtquelle wie etwa einer LED korrelieren. Beispielsweise können die Substrate der vorliegenden Offenbarung in der Form einer LED vorliegen, wie dies bei Chipebenenkonversionskonfigurationen nützlich sein kann. Alternativ oder zusätzlich können die Substrate der vorliegenden Offenbarung in der Form eines an einen Körper (z.B. einen Reflektorkörper) einer Lampe gekoppelten Trägers vorliegen, so dass die ganze oder ein Teil einer darauf ausgebildeten wellenlängenkonvertierenden Struktur über einer Festkörper-Lichtquelle positioniert sein kann, wie das in einer abgesetzten Konversionskonfiguration nützlich sein kann.
Die Substrate der vorliegenden Offenbarung können für einfallendes primäres, sekundäres und/oder tertiäres Licht mindestens teilweise transparent sein. Beispielsweise können die hierin beschriebenen Substrate so konfiguriert sein, dass sie größer oder gleich etwa 50% des einfallenden primären, sekundären und/oder tertiären Lichts durchlassen. Bei einigen Ausführungsformen können die hierin beschriebenen Substrate mehr als 50% bis etwa 100%, wie etwa größer oder gleich etwa 60% bis etwa 100%, größer oder gleich etwa 70% bis etwa 100%, größer oder gleich etwa 80% bis etwa 100%, größer oder gleich etwa 90% bis etwa 100% oder sogar größer oder gleich etwa 95% bis etwa 100% des einfallenden primären, sekundären und/oder tertiären Lichts durchlassen. Ohne Beschränkung weisen die Substrate der vorliegenden Offenbarung bevorzugt solche Übertragungskennlinien für jedes des einfallenden primären, sekundären und tertiären Lichts auf.
Wie zuvor angemerkt, können die Dünnfilmwellenlängenkonverter der vorliegenden Offenbarung eine oder mehrere Schichten aus mindestens einem ersten Wellenlängenkonversionsmaterial enthalten. Im Allgemeinen können die Schicht oder Schichten aus mindestens einem ersten Wellenlängenkonversionsmaterial so fungieren, dass sie alles oder einen Teil des primären Lichts von einer Festkörper-Lichtquelle in sekundäres Licht konvertieren. Beispielsweise können die Schicht oder Schichten aus mindestens einem ersten Wellenlängenkonversionsmaterial in einigen Ausführungsformen konfiguriert sein, primäres Licht in einem ersten Wellenlängenbereich (z.B. von etwa 380 bis etwa 500 nm) in sekundäres Licht in einem zweiten Wellenlängenbereich (z.B. von etwa 380 bis etwa 800 nm) zu konvertieren.
In dieser Hinsicht kann beliebiges geeignetes Konversionsmaterial oder eine Kombination aus Konversionsmaterialien verwendet werden, um die eine oder mehreren Schichten aus mindestens einem ersten Konversionsmaterial auszubilden. Zu beispielhaften Materialien, die zur Verwendung als erste Wellenlängenkonversionsmaterialien geeignet sind, zählen unter anderem Leuchtstoffe wie etwa Oxidgranatleuchtstoffe oder Oxynitridleuchtstoffe. Bei einigen Ausführungsformen enthält das erste Konversionsmaterial oder ist ausgebildet aus einem oder mehreren Leuchtstoffen ausgewählt unter: Granate wie etwa Y₃Al₅O₁₂:Ce³⁺, Lu₃Al₅O₁₂:Ce³⁺, Tb₃Al₅O₁₂:Ce³⁺; Nitride wie etwa M₂Si₅N₈:Eu²⁺, wobei M = Ca, Sr, Ba; Oxynitride wie etwa MSi₂O₂N₂:Eu²⁺, wobei M = Ca, Sr, Ba; Silikate wie etwa BaMgSi₄O₁₀:Eu²⁺, M₂SiO₄:Eu²⁺, wobei M = Ca, Ba, Sr; Kombinationen davon und dergleichen. Alternativ oder zusätzlich können die eine oder die mehreren Schichten aus mindestens einem ersten Konversionsmaterial auch enthalten oder aus einem oder mehreren der folgenden Materialien ausgebildet sein: MAlSiN₃:Eu, wobei M ein Metall ist ausgewählt aus Ca, Sr, Ba; A₂O₃:RE³⁺, wobei A ausgewählt ist aus Sc, Y, La, Gd, Lu und RE³⁺ ein trivalentes Seltenerdion ist wie etwa Eu³⁺; und andere tertiäre und höhere Metalloxide, die mit divalenten oder trivalenten Seltenerdionen dotiert sind wie etwa Eu³⁺, Ce³⁺, Eu²⁺, Tb³⁺ usw. einschließlich funktionaler Gruppen wie Molybdate, Niobate oder Tungstate. Natürlich können auch andere Konversionsmaterialien, die dem Fachmann bekannt sind, verwendet werden, um die eine oder mehreren Schichten aus mindestens einem ersten Konversionsmaterial auszubilden. Ohne Beschränkung enthalten die Dünnfilmkonverter der vorliegenden Offenbarung bevorzugt mindestens eine Schicht aus Y₃Al₅O₁₂:Ce³⁺ als ein erstes Konversionsmaterial.
Die Dicke ist ein Faktor, der die Menge an primärem Licht beeinflussen kann, die durch die Schicht oder Schichten aus erstem Konversionsmaterial in sekundäres Licht konvertiert werden kann. Dementsprechend können die Schicht oder Schichten aus erstem Konversionsmaterial eine Dicke besitzen, die so gewählt ist, dass ein gewünschtes Ausmaß an Konversion von primärem zu sekundärem Licht erreicht wird. Bei einigen Ausführungsformen liegt die Dicke im Bereich von etwa 10 Nanometern (nm) bis etwa 20 Mikrometern (µm) wie etwa 50 nm bis etwa 20 µm, etwa 500 nm bis etwa 20 µm oder sogar etwa 1 µm bis etwa 5 µm.
Die Partikelgröße des oder der Leuchtstoffe in der einen oder den mehreren Schichten aus mindestens einem ersten Wellenlängenkonversionsmaterial kann sich auch auf die optischen Eigenschaften solcher Schichten auswirken. Beispielsweise kann die Partikelgröße von Leuchtstoffen in der einen oder den mehreren Schichten aus mindestens einem ersten Wellenlängenkonversionsmaterial den Grad beeinflussen, in dem solche Schichten einfallendes primäres, sekundäres und/oder tertiäres Licht streuen. Ohne Beschränkung können die Leuchtstoffe der einen von mehreren Schichten aus mindestens einem Wellenlängenkonversionsmaterial derart abgeschieden werden, dass solche Schichten primäres, sekundäres und/oder tertiäres Licht nicht wesentlich streuen. Das heißt, solche Leuchtstoffe können so abgeschieden werden, dass die eine oder mehreren Schichten aus erstem Konversionsmaterial kleiner oder gleich etwa 5% (z.B. ≤ 2,5%, ≤ 1%, ≤ 0,5% oder sogar 0%) des einfallenden primären, sekundären und/oder tertiären Lichts streuen. Anders ausgedrückt können die Leuchtstoffe der einen oder mehreren Schichten derart abgeschieden werden, dass sie eine Partikelgröße besitzen, die die Vorwärtsausbreitung von primärem Licht, sekundärem Licht oder einer Kombination davon in eine nachfolgende Schicht aus Konversionsmaterial nicht wesentlich behindert.
Dementsprechend können der oder die Leuchtstoffe in der Schicht oder Schichten aus erstem Konversionsmaterial in den Dünnfilmkonvertern der vorliegenden Offenbarung eine Partikelgrößenverteilung besitzen, die so gewählt ist, dass gewünschte optische Eigenschaften erzielt werden, wie etwa unter anderem ein gewünschter Grad an Streuung. Bei einigen Ausführungsformen besitzen der oder die in der Schicht oder den Schichten aus erstem Konversionsmaterial enthaltenen Leuchtstoffe eine Partikelgrößenverteilung in einem Bereich von etwa 100 nm bis etwa 8 µm, wie etwa 100 nm bis etwa 1 µm, etwa 100 nm bis etwa 700 nm, etwa 100 nm bis etwa 500 nm oder sogar etwa 100 bis etwa 450 nm. Ohne Beschränkung ist die Partikelgröße des oder der Leuchtstoffe der Schicht oder Schichten aus erstem Konversionsmaterial bevorzugt kleiner oder gleich der Wellenlänge des einfallenden primären Lichts, um z.B. das Streuen von einfallendem primärem Licht zu reduzieren. Falls das einfallende primäre Licht in einem Wellenlängenbereich von etwa 450 bis etwa 500 nm liegt, ist somit die Partikelgröße des oder der Leuchtstoffe der Schicht oder Schichten aus erstem Konversionsmaterial bevorzugt kleiner oder gleich etwa 450 nm, wie etwa 100 bis etwa 400 nm.
Die Schicht oder Schichten aus mindestens einem ersten Konversionsmaterial können auf beliebige geeignete Weise auf einem Substrat oder einem anderen Träger abgeschieden oder anderweitig ausgebildet werden. Beispielsweise können die Schicht oder Schichten aus mindestens einem ersten Konversionsmaterial unter Verwendung eines ersten Abscheidungsprozesses abgeschieden werden, wie etwa unter anderem physikalischer Dampfabscheidung, chemischer Dampfabscheidung, Sputtern, gepulster Laserabscheidung, elektrophoretischer Abscheidung oder einer beliebigen anderen Abscheidungstechnik. Ohne Beschränkung werden die eine oder mehreren Schichten aus mindestens einem ersten Konversionsmaterial durch gepulste Laserabscheidung (PLD – Pulsed Laser Deposition) ausgebildet. Wie sich versteht, kann die PLD in der Lage sein, Dünnfilme aus hochstöchiometrischen Materialien mit einer komplexen Leuchtstoffzusammensetzung abzuscheiden, wobei jede Schicht eine gesteuerte Dicke besitzt, z.B. von etwa 20 µm oder irgendeine andere gewünschte Dicke. Natürlich ist die Abscheidung des ersten Konversionsmaterials durch PLD nicht erforderlich. Tatsächlich können bei anderen bevorzugten Ausführungsbeispielen die Schicht oder Schichten aus ersten Konversionsmaterialien unter Verwendung elektrophoretischer Abscheidung z.B. auf einem Lumineszenzsubstrat oder einem anderen Substrat abgeschieden werden.
Nach der Abscheidung können die Schicht oder Schichten aus mindestens einem ersten Konversionsmaterial einer Nachbearbeitung unterzogen werden, einschließlich unter anderem einer thermischen Nachbearbeitung wie etwa einem Tempern. Beispielsweise können die Schicht oder Schichten aus mindestens einem ersten Konversionsmaterial getempert werden, um z.B. das Kornwachstum zu ermutigen oder zu anderen Zwecken. Ohne Beschränkung werden die Schicht oder Schichten aus erstem Konversionsmaterial bevorzugt nach der Abscheidung bei einer Temperatur im Bereich von etwa 400°C bis etwa 2000°C, wie etwa 600°C bis etwa 2000°C, etwa 800°C bis etwa 2000°C, etwa 1000°C bis etwa 1900°C, etwa 1200°C bis etwa 1800°C oder sogar etwa 1400°C bis etwa 1700°C getempert. Bei einigen Ausführungsformen werden die Schicht oder Schichten aus erstem oder ersten Konversionsmaterialien bei etwa 1600°C getempert. Das Tempern kann in Luft oder in einer anderen Umgebung wie etwa einer Umgebung mit inertem Gas (z.B. Helium, Neon und Argon) in einem Vakuum, in einer Sauerstoffumgebung, in einer Stickstoffumgebung oder in einer Formiergasumgebung (z.B. 1–10% Wasserstoff, Rest Stickstoff) erfolgen.
Bei einigen Ausführungsformen können die Schicht oder Schichten aus mindestens einem ersten Konversionsmaterial nach der Abscheidung zu einem Muster oder einer anderen Struktur bearbeitet werden. Beispielsweise können die Schicht oder Schichten aus mindestens einem ersten Konversionsmaterial zu mehreren Leuchtstoff-„Inseln“ verarbeitet werden, die mit einer Oberfläche eines Substrats oder einer oder mehreren Unterschichten auf der Oberfläche eines Substrats in Kontakt stehen. Auf diese Weise kann eine Schicht aus erstem Konversionsmaterial zu „Pixeln“ bearbeitet werden (z.B. dreidimensionale Inseln mit einer Höhe, einer Breite und einem Spaltabstand), worauf andere Schichten/Materialien abgeschieden werden können. Eine derartige Bearbeitung kann beispielsweise durchgeführt werden, indem eine abgeschiedene Schicht aus mindestens einem ersten Konversionsmaterial einem Ätzprozess unterzogen wird, wie unter anderem Photolithographie.
In Fällen, wo photochemisches Ätzen verwendet wird, kann eine Photoresistmaske (z.B. durch Aufschleudern) auf einer ersten Schicht aus mindestens einem ersten Konversionsmaterial abgeschieden werden. Die Photoresistmaske kann ganz oder teilweise Licht ausgesetzt werden, um innerhalb der Maske eine exponierte Struktur auszubilden. Je nach der Maske können die exponierten oder unexponierten Abschnitte des Photoresist dann unter Verwendung einer in der Technik bekannten Entwicklungslösung entfernt werden, wodurch Abschnitte der Schicht aus erstem oder ersten Wellenlängenkonversionsmaterialien exponiert werden, während andere durch die Photorestismaske geschützt bleiben. Die resultierende Struktur kann dann einem Nass- oder Trockenätzmittel ausgesetzt werden, das Abschnitte des oder der ersten Wellenlängenkonversionsmaterialien in Gebieten entfernen kann, die nicht durch die Photoresistmaske geschützt sind. Die Photoresistmaske kann dann (z.B. mit einem Lösemittel) entfernt oder beibehalten werden, wonach die Struktur weiter bearbeitet werden kann, wie unten erörtert.
Die Dünnfilmwellenlängenkonverter der vorliegenden Offenbarung können auch eine oder mehrere Schichten aus mindestens einem zweiten Wellenlängenkonversionsmaterial enthalten. Wie zuvor angemerkt, können die Schicht oder Schichten aus mindestens einem zweiten Wellenlängenkonversionsmaterial dahingehend fungieren, das ganze oder einen Teil des einfallenden primären (z.B. unkonvertierten primären Lichts von einer Festkörper-Lichtquelle) und/oder des sekundären Lichts, das durch die Schicht oder Schichten aus mindestens einem ersten Wellenlängenkonversionsmaterial emittiert wird, in tertiäres Licht zu konvertieren. Das tertiäre Licht kann Licht in einem anderen Wellenlängenbereich als das primäre und sekundäre Licht enthalten. Alternativ oder zusätzlich kann das tertiäre Licht Licht in einem Wellenlängenbereich enthalten, der von dem zweiten Wellenlängenbereich des sekundären Lichts eingeschlossen ist, aber mit einer anderen (z.B. höheren) Konzentration als das durch die Schicht oder Schichten aus erstem Wellenlängenkonversionsmaterial erzeugte sekundäre Licht.
Beispielsweise können die Schicht oder Schichten aus dem oder den ersten Wellenlängenkonversionsmaterialien das ganze oder einen Teil des einfallenden primären Lichts in Ausgabelicht konvertieren. Wenngleich das Ausgabelicht Licht in verschiedenen Abschnitten des sichtbaren Gebiets des elektromagnetischen Spektrums enthalten kann, kann die Intensität von Licht bei bestimmten Abschnitten dieses Gebiets relativ geringer sein als bei anderen. Beispielsweise kann das Ausgabelicht relativ große Mengen an Licht im blauen Abschnitt des sichtbaren Gebiets enthalten, aber relativ kleine Mengen an Licht im grünen, orangefarbenen, gelben und/oder roten Abschnitt des sichtbaren Bereichs. Infolgedessen kann die Farbtemperatur des Ausgabelichts relativ kühl sein, z.B. in einem Bereich von etwa 5000 K bis etwa 10.000 K.
In solchen Fällen können die Schicht oder Schichten aus dem oder den zweiten Wellenlängenkonversionsmaterialien tertiäres Licht mit einer relativ hohen Lichtintensität im grünen, orangefarbenen, gelben und/oder roten Abschnitt des sichtbaren Bereichs erzeugen. Insbesondere können sie konfiguriert sein, zusätzliches Licht im roten Abschnitt des elektromagnetischen Spektrums zu erzeugen, um das Ausgabelicht von einer Lampe „aufzuwärmen“. Zu nicht-beschränkenden Beispielen solcher Materialien zählen gelb-grüne Leuchtstoffe wie etwa Cerium-dotierte Granate wie etwa Lu₃Al₅O₁₂:Ce³⁺ und Tb₃Al₅O₁₂:Ce³⁺ usw.; rote/bernsteinfarbene Nitride wie etwa M₂Si₅N₈:Eu²⁺, wobei M = Ca, Sr, Ba; rote/bernsteinfarbene Oxynitride wie etwa MSi₂O₂N₂:Eu²⁺, wobei M = Ca, Sr, Ba; und rot/gelb/grün emittierende Silikate wie etwa BaMgSi₄O₁₀:Eu²⁺ und M₂SiO₄:Eu²⁺, wobei M = Ca, Ba, Sr. Ohne Beschränkung sind die zum Ausbilden der Schicht oder Schichten aus dem oder den zweiten Wellenlängenkonversionsmaterialien verwendeten Materialien bevorzugt verschieden von den Materialien, die zum Ausbilden der Schicht oder Schichten aus dem oder den ersten Wellenlängenkonversionsmaterialien verwendet werden. Ohne Beschränkung enthalten die Schicht oder Schichten aus zweitem oder zweiten Wellenlängenkonversionsmaterialien bevorzugt ein Europium-aktiviertes Strontiumsiliziumnitrid oder einen Strontiumsiliziumoxynitridleuchtstoff oder sind daraus ausgebildet, wie etwa jenen oben identifizierten.
Bei einigen Ausführungsformen können die Schicht oder Schichten aus zweitem oder zweiten Welenlängenkonversionsmaterialien konfiguriert sein zum Erzeugen von tertiärem Licht mit einer Farbtemperatur im Bereich von etwa 2000 K bis etwa 3500 K, wie etwa 2700 K bis etwa 3200 K. Bei einigen Ausführungsformen ist das durch die Schicht oder die Schichten aus mindestens einem zweiten Welenlängenkonversionsmaterial erzeugte tertiäre Licht derart konfiguriert, dass das Ausgabelicht hinter dem Konverter eine Farbtemperatur im Bereich von etwa 2500 K bis etwa 4000 K, wie etwa 3000 K bis etwa 3500 K oder sogar etwa 3000 K aufweist.
Wie die Schicht oder Schichten aus erstem oder ersten Wellenlängenkonversionsmaterialien kann sich die Dicke der Schicht oder Schichten aus mindestens einem zweiten Wellenlängenkonversionsmaterialien auf die optische Leistung auswirken. Beispielsweise kann sich die Dicke der Schicht oder Schichten aus dem oder den zweiten Wellenlängenkonversionsmaterialien auf den Grad auswirken, in dem solche Schicht oder Schichten primäres und/oder sekundäres Licht in tertiäres Licht konvertieren können. Dementsprechend kann die Dicke der Schicht oder Schichten aus zweitem oder zweiten Wellenlängenkonversionsmaterialien so gewählt werden, dass die gewünschten optischen Eigenschaften erzielt werden. Bei einigen Ausführungsformen kann die Dicke der Schicht oder Schichten aus zweitem oder zweiten Wellenlängenkonversionsmaterialien im Bereich von etwa 10 Nanometern (nm) bis etwa 20 Mikrometern (µm) liegen, wie etwa 50 nm bis etwa 20 µm, wie etwa 500 nm bis etwa 20 µm oder sogar wie etwa 1 µm bis etwa 5 µm.
Die Partikelgröße eines oder mehrerer Leuchtstoffe in der oder den Schichten aus mindestens einem zweiten Wellenlängenkonversionsmaterial kann sich ebenfalls auf die optischen Eigenschaften einer oder mehrerer derartiger Schichten auswirken. Beispielsweise kann die Partikelgröße des oder der Leuchtstoffe in der Schicht oder den Schichten aus mindestens einem zweiten Wellenlängenkonversionsmaterial den Grad, zu dem solche Schicht oder Schichten einfallendes primäres und/oder sekundäres Licht streuen, beeinflussen. Ohne Beschränkung können die Leuchtstoffe der Schicht oder Schichten aus mindestens einem zweiten Wellenlängenkonversionsmaterial derart abgeschieden werden, dass solche Schichten einfallendes primäres oder sekundäres Licht nicht substantiell streuen. Das heißt, die Schicht oder Schichten aus mindestens einem zweiten Wellenlängenkonversionsmaterial können so abgeschieden werden, dass sie kleiner oder gleich etwa 5% des einfallenden primären und/oder sekundären Lichts streuen. Anders ausgedrückt können die Schicht oder Schichten aus zweitem Konversionsmaterial so abgeschieden werden, dass sie die Vorwärtsübertragung von einfallendem primärem und/oder sekundärem Licht in eine nachfolgende Konversionsschicht nicht substantiell behindern.
Dementsprechend können der oder die Leuchtstoffe in der oder den Schichten aus zweitem oder zweiten Wellenlängenkonversionsmaterialien eine Partikelgröße besitzen, die so gewählt ist, dass gewünschte optische Eigenschaften erzielt werden, wie etwa unter anderem ein gewünschter Streugrad. Bei einigen Ausführungsformen besitzen der oder die in der oder den Schichten aus dem oder den zweiten Wellenlängenmaterialien enthaltenen Leuchtstoffe eine Partikelgröße im Bereich von etwa 100 nm bis etwa 8 µm, wie etwa 100 nm bis etwa 1 µm, etwa 100 nm bis etwa 700 nm, etwa 100 nm bis etwa 500 nm oder sogar etwa 100 bis etwa 400 nm. Ohne Beschränkung ist die Partikelgröße des oder der Leuchtstoffe der Schicht oder Schichten aus dem oder den zweiten Wellenlängenkonversionsmaterialien kleiner oder gleich der Wellenlänge von einfallendem primärem und/oder sekundärem Licht. Falls das einfallende primäre Licht in einem Wellenlängenbereich von etwa 450 nm bis etwa 500 nm liegt, ist somit die Partikelgröße des oder der Leuchtstoffe der Schicht oder Schichten aus dem oder den zweiten Wellenlängenkonversionsmaterialien bevorzugt kleiner oder gleich etwa 450 nm, wie etwa 100 bis etwa 400 nm.
Die Schicht oder Schichten aus zweitem oder zweiten Wellenlängenkonversionsmaterialien können auf beliebige geeignete Weise auf einem Substrat oder einem anderen Träger (z.B. auf oder über einer Schicht aus erstem Wellenlängenkonversionsmaterial) abgeschieden oder anderweitig ausgebildet werden. Beispielsweise können die Schicht oder Schichten aus dem oder den zweiten Wellenlängenkonversionsmaterialien unter Verwendung physikalischer Dampfabscheidung, chemischer Dampfabscheidung, Sputtern, gepulster Laserabscheidung, elektrophoretischer Abscheidung oder einer beliebigen anderen Abscheidungstechnik abgeschieden werden.
Wie sich versteht, kann mindestens ein zweites Wellenlängenkonversionsmaterial einen grünen, gelben oder roten Leuchtstoff enthalten oder in dieser Form vorliegen, der eine relativ komplexe Stöchiometrie aufweist. Aufgrund dieser stöchiometrischen Komplexität kann es schwierig sein, solche Leuchtstoffe unter Verwendung von Techniken wie etwa physikalischer Dampfabscheidung, Sputtern und gepulster Laserabscheidung abzuscheiden. Beispielsweise kann es im Fall des Sputterns schwierig sein, geeignete Sputtertargets zu erhalten, von denen aus eine Schicht aus zweitem Wellenlängenkonversionsmaterial abgeschieden werden kann. Auch die physikalische Dampfabscheidung des oder der zweiten Wellenlängenkonversionsmaterialien kann komplex sein und eine sorgfältige Steuerung zahlreicher Speisegase erfordern, um Schichten mit einer gewünschten Chemie zu erhalten. Somit werden ohne Beschränkung die Schicht oder Schichten aus zweitem Wellenlängenkonversionsmaterial bevorzugt unter Verwendung elektrophoretischer Abscheidung abgeschieden.
Beispielhaft kann in Fällen, wo Nitridleuchtstoffe als das zweite Wellenlängenkonversionsmaterial verwendet werden, eine elektrophoretische Abscheidung solcher Leuchtstoffe auftreten, indem Nitridleuchtstoffpartikel in ein Bad eingeleitet werden, das ein Lösemittel (z.B. Isopropylalkohol oder ein anderes geeignetes Lösemittel) enthält, das gelöste Nitratsalze und Wasser enthält. Die Nitratsalze können sich im Lösemittel zu einem gewissen Grad dissoziieren, wodurch sie Ionen liefern, die die Leuchtstoffpartikel positiv oder negativ laden können. Die Abscheidung von Leuchtstoffpartikeln kann durch Eintauchen einer Elektrode und eines Werkstücks (z.B. eines Substrats mit einer oder mehreren Schichten aus einem ersten Wellenlängenkonversionsmaterial darauf) im Bad und Anlegen einer Spannung zum elektrischen Vorspannen des Werkstücks relativ zur Elektrode ablaufen. Wenn beispielsweise die Leuchtstoffpartikel positiv geladen sind, kann die Abscheidung durch negatives Vorladen des Werkstücks und positives Vorladen der Elektrode erfolgen, wodurch der positiv geladene Leuchtstoff zum negativ vorgespannten Werkstück getrieben wird.
Zur Erleichterung der elektrophoretischen Abscheidung der Schicht oder Schichten aus dem oder den zweiten Wellenlängenkonversionsmaterialien können eine oder mehrere leitende Schichten verwendet werden. Bei Verwendung können die leitende Schicht oder Schichten auf dem gesamten oder einem Teil des Werkstücks abgeschieden werden (an diesem Punkt ein Abschnitt eines Dünnfilmkonverters). Wenn beispielsweise eine oder mehrere Schichten aus einem oder mehreren ersten Wellenlängenkonversionsmaterialien auf einer ersten Seite eines planaren Substrats abgeschieden worden sind, kann eine leitende Schicht auf der oder den Schichten aus dem oder den ersten Wellenlängenkonversionsmaterialien, auf einer zweiten Seite des planaren Substrats oder einer Kombination davon abgeschieden werden. Wie sich versteht, kann die leitende Schicht das elektrische Vorspannen des Werkstücks und somit die elektrophoretische Abscheidung der Schicht oder Schichten aus dem oder den zweiten Wellenlängenkonversionsmaterialien erleichtern.
Ein beliebiges geeignetes leitendes Material kann zur Ausbildung leitender Schichten gemäß der vorliegenden Offenbarung verwendet werden. Zu Beispielen für solche Materialien zählen unter anderem Metalle (z.B. Gold, Kupfer, Aluminium usw.), Indiumzinnoxid (ITO), Aluminium-dotiertes Zinkoxid (ZnO:Al), Gallium-dotiertes Zinkoxid, Niob-dotiertes Strontiumtitanoxid (SrTiO₃:Nb), Indiumgalliumzinkoxid (IGZO), dotiertes Zinnoxid, Graphen, Bleizirkonattitanat (PZT), Kombinationen davon und dergleichen. Ohne Beschränkung sind die leitenden Schichten der vorliegenden Offenbarung bevorzugt transparent und aus Indiumzinnoxid ausgebildet.
Die leitenden Schichten der vorliegenden Offenbarung sind bevorzugt konfiguriert zum Durchlassen gewünschter Mengen an primärem, sekundärem und tertiärem Licht. Beispielsweise können die leitenden Schichten konfiguriert sein, größer oder gleich etwa 50%, wie etwa größer oder gleich etwa 60%, 70%, 80%, 90%, 95%, 99% oder sogar 100%, des primären, sekundären und tertiären Lichts durchzulassen.
Nach der Abscheidung können die Schicht oder Schichten aus dem oder den zweiten Wellenlängenkonversionsmaterialien einer Nachbearbeitung unterzogen werden, einschließlich unter anderem einer thermischen Nachbearbeitung wie etwa Tempern. Die Bearbeitungsparameter, die zur Verwendung in der thermischen Nachverarbeitung der Schicht oder Schichten aus dem oder den zweiten Wellenlängenkonversionsmaterialien geeignet sind, sind die gleichen wie jene oben für die Schicht oder Schichten aus dem oder den ersten Wellenlängenkonversionsmaterialien angegebenen und werden der Kürze halber nicht wiederholt.
Bei einigen Ausführungsformen können die Schicht oder Schichten aus dem oder den zweiten Wellenlängenkonversionsmaterialien direkt auf der Oberfläche einer Schicht aus erstem Wellenlängenkonversionsmaterial oder direkt auf einer Oberfläche einer leitenden Schicht, die auf einer Oberfläche einer Schicht aus erstem Wellenlängenkonversionsmaterial vorliegt, abgeschieden werden. Dementsprechend können die Dünnfilmwellenlängenkonverter eine Schichtstruktur S:A:B oder S:A:C:B besitzen, wobei S einem Substrat entspricht, A einer oder mehreren Schichten aus einem ersten Wellenlängenkonversionsmaterial entspricht, B einer oder mehreren Schichten aus einem zweiten Wellenlängenkonversionsmaterial entspricht und C einer oder mehreren Schichten aus einem leitenden Material entspricht. Alternativ oder zusätzlich können die Dünnfilmwellenlängenkonverter eine Schichtstruktur A:S:B oder A:S:C:B besitzen, wobei A, B, C und S wie oben definiert sind. In jedem Fall können sich die Schichte auf einer oder beiden Seiten des Substrats einmal oder mehrmals wiederholen. Somit können die oben beschriebenen Dünnfilmwellenlängenkonverter zum Beispiel eine Schichtstruktur S:A:B:A:B:A:B...S:A:C:B:A:C:B...A:S:C:B:C:B:C:B besitzen, wobei A, B, C und S wie oben definiert sind.
Bei einigen Ausführungsformen können die Schicht oder Schichten aus dem oder den zweiten Wellenlängenkonversionsmaterialien nach der Abscheidung zu einem Muster oder einer Struktur verarbeitet werden. Beispielsweise können die Schicht oder Schichten aus dem oder den zweiten Wellenlängenkonversionsmaterialien zu mehreren Phosphor-„Inseln“ verarbeitet werden, die mit einer Oberfläche einer Schicht aus einem ersten Wellenlängenkonversionsmaterial oder einem leitenden Material in Kontakt stehen können. Auf diese Weise kann eine Schicht aus zweitem Konversionsmaterial zu „Pixeln“ verarbeitet werden (z.B. dreidimensionale Inseln mit einer Höhe, einer Breite und einem Spaltabstand). Eine derartige Verarbeitung kann beispielsweise durchgeführt werden, indem eine abgeschiedene Schicht aus einem zweiten Wellenlängenkonversionsmaterial einem Ätzprozess unterzogen wird, wie unter anderem Photolithographie. Die Art und Weise, wie eine derartige Verarbeitung durchgeführt werden kann, ist die gleiche wie die oben für die Schicht oder Schichten aus dem oder den ersten Wellenlängenkonversionsmaterialien spezifizierte und wird somit nicht wiederholt. Durch Strukturieren der Schicht oder der Schichten aus dem oder den zweiten Wellenlängenkonversionsmaterialien kann es möglich sein, die Menge an tertiärem Licht zu steuern, die zum Ausgabelicht einer Lichtquelle hinzugefügt wird. Infolgedessen kann die Farbtemperatur des Ausgabelichts durch entsprechendes Ätzen/Strukturieren der Schicht oder Schichten aus dem oder den zweiten Wellenlängenkonversionsmaterialien gesteuert werden.
Der Darstellung halber wird die vorliegende Offenbarung nun damit weitergehen, beispielhafte Dünnfilmwellenlängenkonverter gemäß der vorliegenden Offenbarung zu beschreiben sowie beispielhafte Verfahren zu deren Herstellung. Es versteht sich, dass solche Beispiele nur der Darstellung dienen und dass andere Dünnfilmkonverterkonfigurationen und Produktionsverfahren verwendet werden können und durch die vorliegende Offenbarung in Betracht gezogen werden.
Angesichts des oben Gesagten wird nun auf die 2A–2D Bezug genommen, die nacheinander die Ausbildung eines Beispiels eines Dünnfilmkonverters gemäß der vorliegenden Offenbarung darstellen. Die sequentielle Darstellung in 2A–2D stimmt im Allgemeinen mit den verschiedenen, gemäß 3 durchgeführten Operationen überein, die ein Flussdiagramm ist, das Operationen darstellt, die gemäß einem beispielhaften Verfahren zum Ausbilden eines Dünnfilmkonverters gemäß der vorliegenden Offenbarung durchgeführt werden. Dementsprechend werden, wo möglich, die in 3 umrissenen Operationen in Verbindung mit der sequentiellen Darstellung von 2A–2D beschrieben.
Wie in 2A–D gezeigt, kann die Produktion eines Dünnfilmkonverters 103‘ gemäß der vorliegenden Offenbarung mit der Bereitstellung eines Substrats 201 beginnen. Wie gezeigt, kann das Substrat 201 allgemein planar sein und eine obere und untere Oberfläche (nicht bezeichnet) enthalten, von denen eine einen oder mehrere Dünnfilme aus Wellenlängenkonversionsmaterial tragen kann. Der Darstellung halber zeigen die 2A–D nacheinander die Produktion eines Dünnfilmkonverters 103‘, der zwei Schichten aus Wellenlängenkonversionsmaterial auf seiner oberen (ersten) Oberfläche enthält. Es versteht sich jedoch, dass eine beliebige Anzahl von Schichten aus Konversionsmaterial verwendet werden kann und dass solche Konversionsschichten entweder auf einer oder beiden der oberen und unteren Oberfläche des Substrats 201 vorliegen können.
Das Substrat 201 kann aus einem beliebigen Material ausgebildet sein, das eine stabile Struktur bereitstellt, auf der eine oder mehrere Schichten 202 aus mindestens einem ersten Wellenlängenkonversionsmaterial abgeschieden werden können. Zu geeigneten Materialien zählen jene zuvor beschriebenen. Ohne Beschränkung ist das Substrat 201 bevorzugt ein Saphirsubstrat, das planar oder nichtplanar sein kann.
Nachdem das Substrat 201 bereitgestellt oder anderweitig verfügbar gemacht worden ist, kann die Produktion des Dünnfilmkonverters (z.B. gemäß Kasten 302 von 3) durch Abscheiden einer Schicht aus einem ersten Wellenlängenkonversionsmaterial 202 auf einer oberen (ersten) Oberfläche des Substrats 201 ablaufen. Zu geeigneten Materialien zum Ausbilden des ersten Wellenlängenkonversionsmaterials 202 zählen jene zuvor als geeignete erste Wellenlängenkonversionsmaterialien identifizierte. Ohne Beschränkung ist das erste Wellenlängenkonversionsmaterial 202 bevorzugt aus Y₃Al₅O₁₂:Ce³⁺ ausgebildet. Während die 2A–2D ein erstes Wellenlängenkonversionsmaterial 202 als eine konforme Beschichtung darstellen, ist eine derartige Struktur nicht erforderlich. Tatsächlich kann, wie zuvor angemerkt, die erste Schicht aus erstem Wellenlängenkonversionsmaterial 202 zu Inseln oder Pixeln aus erstem Wellenlängenkonversionsmaterial abgeschieden oder verarbeitet werden, z.B. unter Verwendung photochemischen Ätzens und/oder eines selektiven Abscheidungsprozesses.
Die Abscheidung des ersten Wellenlängenkonversionsmaterials 202 kann unter Verwendung eines beliebigen geeigneten Abscheidungsprozesses wie etwa jenen zuvor als für das Abscheiden erster Wellenlängenkonversionsmaterialien geeignet beschriebenen durchgeführt werden. Ohne Beschränkung wird das erste Wellenlängenkonversionsmaterial bevorzugt unter Verwendung gepulster Laserabscheidung (PLD) oder elektrophoretischer Abscheidung auf dem Substrat 201 abgeschieden.
Bei einigen Ausführungsformen kann das erste Wellenlängenkonversionsmaterial 202 einem oder mehreren Nachbearbeitungsprozessen (z.B. gemäß dem optionalen Block 303 von 3) unterzogen werden. Beispielsweise kann das erste Wellenlängenkonversionsmaterial einer Wärmebehandlung unterzogen werden, z.B. für das Kornwachstum oder für andere Zwecke. Bei einigen Ausführungsformen werden das Substrat 201 und das erste Wellenlängenkonversionsmaterial 202 einer Wärmebehandlung bei etwa 1400 bis 1600°C unterzogen.
Nachdem das erste Wellenlängenkonversionsmaterial 202 abgeschieden und optional nachbearbeitet worden ist, kann die Produktion des Dünnfilmkonverters (z.B. gemäß Block 304 von 3) durch Abscheiden der leitenden Schicht 203 auf der exponierten Oberfläche des ersten Wellenlängenkonversionsmaterials 202 vor sich gehen, wie in 2C gezeigt. Die leitende Schicht 203 kann, wie zuvor beschrieben, aus einem beliebigen geeigneten leitenden Material ausgebildet sein. Ohne Beschränkung ist die leitende Schicht 203 aus Indiumzinnoxid, Graphen oder einer Kombination davon ausgebildet. In Fällen, wo das erste Wellenlängenkonversionsmaterial 202 als eine konforme Beschichtung abgeschieden wird, kann auch die leitende Schicht 203 als eine konforme Beschichtung abgeschieden werden, wie in 2C gezeigt. Alternativ oder zusätzlich kann die leitende Schicht 203 selektiv zu Inseln aus leitendem Material abgeschieden oder verarbeitet werden, wie später in Verbindung mit einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung beschrieben wird.
Ein beliebiger geeigneter Prozess kann zum Abscheiden der leitenden Schicht 203 auf dem ersten Wellenlängenkonversionsmaterial 202 verwendet werden. Ohne Beschränkung wird die leitende Schicht 203 bevorzugt auf dem Konversionsmaterial 202 unter Verwendung von Sputtern oder einer anderen physikalischen Abscheidungstechnik abgeschieden.
Nachdem die leitende Schicht 203 abgeschieden worden ist, kann die Produktion des Dünnfilmkonverters (z.B. gemäß Block 305 von 3) durch Abscheiden des zweiten Wellenlängenkonversionsmaterials 204 auf der exponierten (z.B. oberen) Oberfläche der leitenden Schicht 203 ablaufen. Das zweite Wellenlängenkonversionsmaterial 204 kann aus einem beliebigen geeigneten Wellenlängenkonversionsmaterial ausgebildet werden und enthält bevorzugt andere Wellenlängenkonversionsmaterialien als das erste Wellenlängenkonversionsmaterial 202 oder ist daraus ausgebildet. Zu geeigneten Materialien zum Ausbilden des zweiten Wellenlängenkonversionsmaterials 204 zählen jene zuvor beschriebenen. Ohne Beschränkung wird das zweite Wellenlängenkonversionsmaterial 204 bevorzugt aus einem Europium-aktivierten Strontiumnitrid- oder Oxynitridleuchtstoff ausgebildet.
Eine beliebige geeignete Abscheidungstechnik kann zum Abscheiden des zweiten Wellenlängenkonversionsmaterials 204 verwendet werden, wie zuvor angemerkt. Ohne Beschränkung wird das zweite Wellenlängenkonversionsmaterial 204 bevorzugt unter Verwendung einer elektrophoretischen Abscheidung abgeschieden. Eine derartige Abscheidung kann beispielsweise durch Eintauchen der in 2C gezeigten Struktur in ein Bad durchgeführt werden, das ein Lösemittel, ein oder mehrere Salze und geladene Partikel des zweiten Wellenlängenkonversionsmaterials enthält, wie allgemein oben beschrieben.
Nachdem das zweite Wellenlängenkonversionsmaterial 204 abgeschieden worden ist, kann es (gemäß dem optionalen Block 306 von 3) einer Nachverarbeitung unterzogen werden, z.B. einer Wärmebehandlung, einem Tempern, nachträglichen Beschichtungsprozessen usw. Nachdem eine derartige Nachbearbeitung abgeschlossen ist (oder falls keine Nachbearbeitung durchgeführt wird), kann das Verfahren gemäß Block 307 von 3 enden.
Es wird nun auf die 4A–4G Bezug genommen, die nacheinander die Ausbildung eines weiteren beispielhaften Dünnfilmkonverters gemäß der vorliegenden Offenbarung veranschaulichen. Die sequenzielle Darstellung in 4A–4G stimmt im Allgemeinen mit den gemäß 5 durchgeführten verschiedenen Operationen überein, die ein Flussdiagramm ist, das gemäß einem beispielhaften Verfahren zum Ausbilden eines Dünnfilmkonverters gemäß der vorliegenden Offenbarung ausgeführte Operationen darstellt. Dementsprechend werden, wo möglich, die in 5 umrissenen Operationen in Verbindung mit der sequenziellen Darstellung von 4A–4G beschrieben.
Wie in 4A–4C und den Blöcken 501–504 von 5 gezeigt, kann die Produktion eines Dünnfilmkonverters 103‘‘ gemäß der vorliegenden Offenbarung mit der Bereitstellung eines Substrats 201, der Abscheidung eines ersten Wellenlängenkonversionsmaterials 202 und der Abscheidung der leitenden Schicht 203 beginnen. Die Art dieser Schichten und die Art und Weise, wie sie ausgebildet werden, ist die gleiche wie oben in Verbindung mit den Elementen 201–203 und den Blöcken 301–304 der 2A–2D und 3 beschrieben. Somit werden der Kürze halber die Art und die Produktion solcher Elemente nicht wiederholt.
Nunmehr unter Bezugnahme auf die 4D–4E und Block 505 von 5 kann die Produktion des Dünnfilmkonverters 103‘‘ durch Abscheiden einer Schicht aus Photoresist 401, z.B. über Tauchbeschichten, Sprühen oder eine andere geeignete Abscheidungstechnik, ablaufen. Nachdem der Photoresist 401 abgeschieden worden ist, kann er bearbeitet werden, um einen strukturierten Photoresist 401‘ auszubilden, z.B. unter Verwendung von photochemischem Ätzen, Photolithographie oder anderen, in der Technik bekannten Verfahren. Wie in 4E gezeigt, bildet der strukturierte Photoresist 401‘ eine Maske, die Inseln auf Photoresist enthalten kann, die darunterliegende Abschnitte der leitenden Schicht 203 schützen, während andere Abschnitte der leitenden Schicht 203 exponiert bleiben.
An diesem Punkt kann die Produktion des Dünnfilmkonverters 103‘‘ (gemäß Block 506 von 5) durch Abscheiden des zweiten Wellenlängenkonversionsmaterials 204 auf den exponierten Abschnitten der leitenden Schicht 203 ablaufen, wie in 4F gezeigt. Gemäß der Beschreibung der 2D und 3 kann die Abscheidung des zweiten Wellenlängenkonversionsmaterials 204 auf eine beliebige geeignete Weise durchgeführt werden. Ohne Beschränkung wird bevorzugt die elektrophoretische Abscheidung zum Abscheiden des zweiten Wellenlängenkonversionsmaterials 204 auf den exponierten Abschnitten der leitenden Schicht 203 verwendet.
Nachdem das zweite Wellenlängenkonversionsmaterial 204 auf den exponierten Abschnitten der leitenden Schicht 203 abgeschieden worden ist, kann die Produktion des Dünnfilmkonverters 103‘‘ optional (z.B. gemäß dem optionalen Block 507 von 5) durch Entfernen des strukturierten Photoresist 401‘ ablaufen, wobei Inseln aus zweitem Wellenlängenkonversionsmaterial 204 auf der leitenden Schicht 203 verbleiben, wie in 4G gezeigt. Vor oder nach dem Entfernen des strukturierten Photoresist 401‘ kann das zweite Wellenlängenkonversionsmaterial 204 einer Nachbearbeitung unterzogen werden, wie etwa einer Wärmebehandlung, einem Tempern usw., wie allgemein oben beschrieben. Bei Block 509 endet das Verfahren.
Es wird nun auf die 6A–6D Bezug genommen, die nacheinander die Ausbildung eines weiteren beispielhaften Dünnfilmkonverters gemäß der vorliegenden Offenbarung veranschaulichen. Die sequenzielle Darstellung in 6A–6D stimmt im Allgemeinen mit den gemäß 7 durchgeführten verschiedenen Operationen überein, die ein Flussdiagramm ist, das gemäß einem beispielhaften Verfahren zum Ausbilden eines Dünnfilmkonverters gemäß der vorliegenden Offenbarung ausgeführte Operationen darstellt. Dementsprechend werden, wo möglich, die in 7 umrissenen Operationen in Verbindung mit der sequenziellen Darstellung von 6A–6D beschrieben.
Wie in 6A und den Blöcken 701–703 von 7 gezeigt, kann die Produktion eines Dünnfilmkonverters 103‘‘‘ gemäß der vorliegenden Offenbarung mit der Bereitstellung eines Substrats 201 und der Abscheidung des ersten Wellenlängenkonversionsmaterials 202 beginnen. Diese Operationen sind im Allgemeinen die gleichen wie jene oben in Verbindung mit den Elementen 201–202 und den Blöcken 301–303 der 2A, 2B und 3 erörterten, außer dass das erste Wellenlängenkonversionsmaterial 202 auf einer zweiten (unteren) Oberfläche des Substrats 201 anstelle einer ersten (oberen) Oberfläche des Substrats 201 abgeschieden wird. Somit wird der Kürze halber die Natur und die Produktion solcher Elemente nicht im Detail wiederholt. Bei einigen Ausführungsformen kann gepulste Laserabscheidung oder elektrophoretische Abscheidung verwendet werden, um das erste Wellenlängenkonversionsmaterial 202 auf der zweiten (unteren) Oberfläche des Substrats 201 auszubilden. Nunmehr unter Bezugnahme auf 6C und Block 704 von 7 kann die Produktion des Dünnfilmkonverters 103‘‘‘ durch Abscheiden der leitenden Schicht 203 auf einer ersten (oberen) Oberfläche des Substrats 201 ablaufen. Die Natur und Abscheidung der leitenden Schicht 203 ist die gleiche wie zuvor in Verbindung mit früheren Ausführungsformen beschrieben, außer insofern als sie auf einer Oberfläche des Substrats 201 ausgebildet ist, die der Oberfläche gegenüberliegt, auf der das erste Wellenlängenkonversionsmaterial 202 abgeschieden wurde. Dementsprechend wird die Natur und die Produktion der leitenden Schicht 203 nicht wiederholt.
Wie in 6D gezeigt und gemäß den Blöcken 705 und 706 von 7 kann die Produktion des Dünnfilmkonverters 103‘‘‘ durch Abscheiden des zweiten Wellenlängenkonversionsmaterials 204 auf der exponierten Oberfläche der leitenden Schicht 203 ablaufen. Gemäß früheren Beschreibungen kann die Abscheidung des zweiten Wellenlängenkonversionsmaterials 204 auf beliebige geeignete Weise durchgeführt werden. Ohne Beschränkung wird die elektrophoretische Abscheidung bevorzugt zum Abscheiden des zweiten Wellenlängenkonversionsmaterials 204 auf den exponierten Abschnitten der leitenden Schicht 203 verwendet. Das abgeschiedene zweite Konversionsmaterial 204 kann optional nachbearbeitet werden (z.B. gemäß Block 706 von 7). Bei Block 707 endet das Verfahren.
Es wird nun auf die 8A–8G Bezug genommen, die nacheinander die Ausbildung eines weiteren beispielhaften Dünnfilmkonverters gemäß der vorliegenden Offenbarung veranschaulichen. Die sequenzielle Darstellung in 8A–8G stimmt im Allgemeinen mit den gemäß 9 durchgeführten verschiedenen Operationen überein, die ein Flussdiagramm ist, das gemäß einem beispielhaften Verfahren zum Ausbilden eines Dünnfilmkonverters gemäß der vorliegenden Offenbarung ausgeführte Operationen darstellt. Dementsprechend werden, wo möglich, die in 9 umrissenen Operationen in Verbindung mit der sequenziellen Darstellung von 8A–8G beschrieben.
Wie in 8A–8C und den Blöcken 901–904 von 9 gezeigt, kann die Produktion eines Dünnfilmkonverters 103‘‘‘‘ gemäß der vorliegenden Offenbarung mit der Bereitstellung eines Substrats 201, der Abscheidung eines ersten Wellenlängenkonversionsmaterials 202 auf einer zweiten (unteren) Oberfläche des Substrats 201 und der Abscheidung der leitenden Schicht 203 auf einer ersten (oberen) Oberfläche des Substrats 101 beginnen. Die Art dieser Schichten und die Art und Weise, wie sie ausgebildet werden, ist die gleiche wie oben in Verbindung mit den Elementen 201–203 und den Blöcken 701–704 der 6A–6C und 7 beschrieben. Somit werden der Kürze halber die Art und die Produktion solcher Elemente nicht wiederholt.
Nunmehr unter Bezugnahme auf die 8D–8E und Block 905 von 9 kann die Produktion des Dünnfilmkonverters 103‘‘‘‘ durch Abscheiden einer Schicht aus Photoresist 401, z.B. über Tauchbeschichten, Sprühen oder eine andere geeignete Abscheidungstechnik, ablaufen. Nachdem der Photoresist 401 abgeschieden worden ist, kann er bearbeitet werden, um einen strukturierten Photoresist 401‘ auszubilden, z.B. unter Verwendung von photochemischem Ätzen, Photolithographie oder anderen, in der Technik bekannten Verfahren. Wie in 8E gezeigt, bildet der strukturierte Photoresist 401‘ eine Maske, die Inseln auf Photoresist enthalten kann, die darunterliegende Abschnitte der leitenden Schicht 203 schützen, während andere Abschnitte der leitenden Schicht 203 exponiert bleiben.
An diesem Punkt kann die Produktion des Dünnfilmkonverters 103‘‘‘‘ (gemäß Block 906 von 9) durch Abscheiden des zweiten Wellenlängenkonversionsmaterials 204 auf den exponierten Abschnitten der leitenden Schicht 203 ablaufen, wie in 8F gezeigt. Gemäß früheren Beschreibungen, kann die Abscheidung des zweiten Wellenlängenkonversionsmaterials 204 auf eine beliebige geeignete Weise durchgeführt werden. Ohne Beschränkung wird bevorzugt die elektrophoretische Abscheidung zum Abscheiden des zweiten Wellenlängenkonversionsmaterials 204 auf den exponierten Abschnitten der leitenden Schicht 203 verwendet.
Nachdem das zweite Wellenlängenkonversionsmaterial 204 auf den exponierten Abschnitten der leitenden Schicht 203 abgeschieden worden ist, kann die Produktion des Dünnfilmkonverters 103‘‘‘‘ optional (z.B. gemäß dem optionalen Block 907 von 9) durch Entfernen des strukturierten Photoresist 401‘ ablaufen, wobei Inseln aus zweitem Wellenlängenkonversionsmaterial 204 auf der leitenden Schicht 203 verbleiben, wie in 8F gezeigt. Vor oder nach dem Entfernen des strukturierten Photoresist 401‘ kann das zweite Wellenlängenkonversionsmaterial 204 einer Nachbearbeitung unterzogen werden, wie etwa einer Wärmebehandlung, einem Tempern usw., wie allgemein oben beschrieben. Bei Block 909 endet das Verfahren.
Während die 2A–9 die Ausbildung von Wellenlängenkonvertern beschreiben, bei denen eine oder mehrere Leuchtstoffschichten und leitende Schichten auf einem Substrat 201 abgeschieden werden, ist zu verstehen, dass die Verwendung des Substrats 201 nicht erforderlich ist. Tatsächlich kann in den Ausführungsformen der 2A–8G das Substrat 201 entfallen und das erste Wellenlängenkonversionsmaterial 202 kann als ein Substrat für die nachfolgende Abscheidung der leitenden Schicht oder Schichten, des oder der zweiten Wellenlängenkonversionsmaterialschichten und der Photoresistschicht oder Photoresistschichten (wo anwendbar) genutzt werden.
Die folgenden Beispiele beschreiben Dünnfilmkonverter gemäß der vorliegenden Offenbarung und dienen nur der Veranschaulichung.
Beispiel 1 – Abscheidung des ersten Wellenlängenkonversionsmaterials.
Dünnfilme aus YAG:Ce wurden auf c-Saphir, r-Saphir, Quarz und Leuchtstoffkeramiksubstraten aufgewachsen. Die YAG:Ce-Filme wurden unter Verwendung von PLD in einer Sauerstoffatmosphäre bei 3 mTorr abgeschieden. Die Laserimpulswiederholungsrate wurde von 5 bis 50 Hertz (Hz) variiert. Die Substrattemperatur während der Abscheidung variierte von Raumtemperatur bis etwa 1000°C. Nach der Abscheidung wurden die Proben mit einem Bandofen bei Temperaturen im Bereich von 1400–1600°C in einer H₂N₂-Atmosphäre getempert.
Beispiel 2 – Abscheidung der leitenden Schicht.
Leitende Schichten wurden auf den gemäß Beispiel 1 hergestellten Proben abgeschieden. Insbesondere wurde ein HF-Sputtern unter Verwendung einer Sputterkanone KJ Lesker 2‘‘ durchgeführt, um dünne leitende Filme aus Indiumzinnoxid (ITO) auf den Proben herzustellen. Vor dem Sputtern wurden die Proben in einem Ultraschallbad aus Aceton-Isopropanol gereinigt. Ein 2-Inch-ITO-Target (10 Gew.-% SnO₂) wurde für die Abscheidung verwendet. Der Basisdruck des Systems betrug 1 × 10^–7 Torr. Das ITO-Sputtern wurde bei einem Druck von 5–20 mTorr in einer Argon-Sauerstoff-Atmosphäre durchgeführt. Die angelegte HF-Leistung variierte von 50–200 W. Das Sputtern wurde etwa 10 Minuten lang bei etwa 400°C durchgeführt und führte zu der Herstellung von 300 nm dicken ITO-Schichten auf den Proben von Beispiel 1. Nach der Abscheidung wurden die Proben etwa 2 Stunden lang in einer Sauerstoffatmosphäre bei 400°C getempert.
Beispiel 3 – Abscheidung des zweiten Wellenlängenkonversionsmaterials.
Schichten aus dem zweiten Wellenlängenkonversionsmaterial (M₂Si₅N₈:Eu²⁺, wobei M = Ca, Sr, Ba) wurden auf den leitenden Schichten der gemäß Beispiel 2 hergestellten Proben abgeschieden. Insbesondere wurde eine elektrophoretische Abscheidung verwendet, um einen Sr₂Si₅N₈:Eu²⁺-Leuchtstoff auf den leitenden Schichten der gemäß Beispiel 2 hergestellten Proben abzuscheiden. Die elektrophoretische Abscheidung wurde unter Verwendung eines Suspensionsbads durchgeführt, das die Nitridleuchtstoffpartikel, Isopropylalkohol, gelöste Nitratsalze und Wasser enthielt. Die Nitratsalze dissoziierten geringfügig, um Ionen zu liefern, die die Nitridleuchtstoffpartikel luden. Eine Elektrode und die Proben von Beispiel 2 wurden in das Bad eingetaucht. Eine Spannung von etwa 10 V bis etwa 800 V wurde an die Elektrode und die leitenden Schichten der Proben von Beispiel 2 angelegt, damit die geladenen Nitridpartikel an der Oberfläche der leitenden Schichten hafteten. Die Abscheidungszeit variierte zwischen 5 Sekunden und 100 Sekunden, wobei die längere Zeit zu einer größeren Dicke von bis zu etwa 20 µm führte.
Wenngleich die Prinzipien der Erfindung hier beschrieben worden sind, versteht der Fachmann, dass diese Beschreibung nur an Hand von Beispielen und nicht als eine Beschränkung hinsichtlich des Schutzbereichs der Erfindung erfolgt. Andere Ausführungsformen werden innerhalb des Schutzbereichs der vorliegenden Erfindung zusätzlich zu den hierin gezeigten und beschriebenen Ausführungsbeispielen in Betracht gezogen. Modifikationen und Substitutionen durch einen Durchschnittsfachmann werden als innerhalb des Schutzbereichs der vorliegenden Erfindung liegend angesehen, der außer durch die folgenden Ansprüche nicht beschränkt sein soll.

Claims

Dünnfilm-Wellenlängenkonverter, der Folgendes umfasst: ein Substrat; eine erste Dünnfilmschicht, wobei die erste Dünnfilmschicht mindestens ein erstes Wellenlängenkonversionsmaterial umfasst; eine leitende Schicht; und eine zweite Dünnfilmschicht, die auf der leitenden Schicht abgeschieden ist, wobei die zweite Dünnfilmschicht mindestens ein zweites Wellenlängenkonversionsmaterial umfasst; wobei: die erste Dünnfilmschicht konfiguriert ist zum Konvertieren von einfallendem primärem Licht von einer Lichtquelle in einem ersten Wellenlängenbereich in sekundäres Licht in einem zweiten Wellenlängenbereich; und die zweite Dünnfilmschicht konfiguriert ist zum Konvertieren mindestens eines des primären Lichts und des sekundären Lichts in tertiäres Licht in einem dritten Wellenlängenbereich, wobei der zweite Wellenlängenbereich von dem dritten Wellenlängenbereich verschieden ist.
Dünnfilm-Wellenlängenkonverter nach Anspruch 1, wobei das erste Wellenlängenkonversionsmaterial ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Granat-Leuchtstoffen, Oxynitrid-Leuchtstoffen, Nitrid-Leuchtstoffen, Silikat-Leuchtstoffen und Kombinationen davon.
Dünnfilm-Wellenlängenkonverter nach Anspruch 1, wobei die erste Dünnfilmschicht eine Dicke im Bereich von etwa 10 Nanometern (nm) bis etwa 20 Mikrometern (µm) besitzt.
Dünnfilm-Wellenlängenkonverter nach Anspruch 1, wobei das mindestens eine zweite Wellenlängenkonversionsmaterial ausgewählt ist unter Y₃Al₅O₁₂:Ce³⁺, Lu₃Al₅O₁₂:Ce³⁺, Tb₃Al₅O₁₂:Ce³⁺, M₂Si₅N₈:Eu²⁺, MSi₂O₂N₂:Eu²⁺, BaMgSi₄O₁₀:Eu²⁺, M₂SiO₄:Eu²⁺, MAlSiN₃:Eu²⁺ und Kombinationen davon, wobei M ausgewählt ist unter Kalzium, Barium, Strontium und Kombinationen davon.
Dünnfilm-Wellenlängenkonverter nach Anspruch 1, wobei die zweite Dünnfilmschicht Inseln aus dem mindestens zweiten Wellenlängenkonversionsmaterial auf der leitenden Schicht umfasst.
Dünnfilm-Wellenlängenkonverter nach Anspruch 1, wobei das Substrat eine obere und untere Oberfläche umfasst und die erste Dünnfilmschicht auf der oberen Oberfläche abgeschieden ist und die leitende Schicht auf der ersten Dünnfilmschicht abgeschieden ist.
Dünnfilm-Wellenlängenkonverter nach Anspruch 1, wobei das Substrat eine obere und untere Oberfläche umfasst und die erste Dünnfilmschicht auf der unteren Oberfläche abgeschieden ist und die leitende Schicht auf der oberen Oberfläche abgeschieden ist.
Dünnfilm-Wellenlängenkonverter nach Anspruch 1, wobei das Substrat aus einem Material ausgebildet ist, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Saphir, mindestens einer Leuchtstoffkeramik, polykristallinem transparentem Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid, Yttriumoxid-stabilisiertem Zirconiumoxid (YSZ), Zirconiumoxiden, Galliumnitrid, Aluminiumgalliumnitrid (AlGaN) und Indiumgalliumnitrid (InGaN).
Dünnfilm-Wellenlängenkonverter nach Anspruch 1, wobei die leitende Schicht aus mindestens einem der Folgenden besteht: einem Metallfilm, Indiumzinnoxid (ITO), Aluminium-dotiertem Zinkoxid (ZnO:Al), Gallium-dotiertem Zinkoxid, Niob-dotiertem Strontiumtitanoxid (SrTiO₃:Nb), Indiumgalliumzinkoxid (IGZO).
Verfahren zum Ausbilden eines Dünnfilm-Wellenlängenkonverters, das Folgendes umfasst: Abscheiden einer ersten Dünnfilmschicht aus mindestens einem ersten Wellenlängenkonversionsmaterial auf einem Substrat unter Verwendung eines ersten Abscheidungsprozesses; Abscheiden einer leitenden Schicht unter Verwendung eines zweiten Abscheidungsprozesses; und Abscheiden einer zweiten Dünnfilmschicht aus mindestens einem zweiten Wellenlängenkonversionsmaterial auf der leitenden Schicht unter Verwendung eines elektrophoretischen Abscheidungsprozesses; wobei: die erste Dünnfilmschicht konfiguriert ist zum Konvertieren von einfallendem primärem Licht von einer Lichtquelle in einem ersten Wellenlängenbereich in sekundäres Licht in einem zweiten Wellenlängenbereich; und die zweite Dünnfilmschicht konfiguriert ist zum Konvertieren mindestens eines des primären Lichts und des sekundären Lichts in tertiäres Licht in einem dritten Wellenlängenbereich, wobei der zweite Wellenlängenbereich von dem dritten Wellenlängenbereich verschieden ist.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei der erste Abscheidungsprozess ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus physikalischer Dampfabscheidung, elektrophoretischer Abscheidung, chemischer Dampfabscheidung, Epitaxie, Sputtern, gepulster Laserabscheidung und Kombinationen davon.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei das erste Wellenlängenkonversionsmaterial ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Granat-Leuchtstoffen, Oxynitrid-Leuchtstoffen, Nitrid-Leuchtstoffen, Silikat-Leuchtstoffen und Kombinationen davon.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei das mindestens eine zweite Wellenlängenkonversionsmaterial ausgewählt ist unter Y₃Al₅O₁₂:Ce³⁺, Lu₃Al₅O₁₂:Ce³⁺, Tb₃Al₅O₁₂:Ce³⁺, M₂Si₅N₈:Eu²⁺, MSi₂O₂N₂:Eu²⁺, BaMgSi₄O₁₀:Eu²⁺, M₂SiO₄:Eu²⁺, MAlSiN₃:Eu²⁺ und Kombinationen davon, wobei M ausgewählt ist unter Kalzium, Barium, Strontium und Kombinationen davon.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei das Verfahren weiterhin das Aufbringen einer Photoresistmaske auf der leitenden Schicht vor dem Abscheiden der zweiten Dünnfilmschicht umfasst, wobei die Photorestmaske eine Struktur besitzt, die Abschnitte der leitenden Schicht exponiert.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei die zweite Dünnfilmschicht so strukturiert ist, dass Inseln aus dem mindestens zweiten Wellenlängenkonversionsmaterial auf der leitenden Schicht entstehen.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei das Substrat eine obere und untere Oberfläche umfasst und die erste Dünnfilmschicht auf der oberen Oberfläche abgeschieden ist und die leitende Schicht auf der ersten Dünnfilmschicht abgeschieden ist.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei das Substrat eine obere und untere Oberfläche umfasst und die erste Dünnfilmschicht auf der unteren Oberfläche abgeschieden ist und die leitende Schicht auf der oberen Oberfläche abgeschieden ist.