DE112015003506T5

DE112015003506T5 - Verfahren zur Herstellung von Wellenlängenkonvertern für Festkörper-Beleuchtungsanwendungen

Info

Publication number: DE112015003506T5
Application number: DE112015003506.0T
Authority: DE
Inventors: Darshan Kundaliya; Kailash Mishra
Original assignee: Osram Sylvania Inc
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2014-07-28
Filing date: 2015-07-22
Publication date: 2017-04-27
Anticipated expiration: 2035-07-23
Also published as: WO2016018684A1; JP2017524984A; DE112015003506B4; US20160023242A1; JP6440818B2

Abstract

Hierin offenbart sind Technologien, die Opfermaterialschichten nutzen, um Wellenlängenkonverter für Leuchtvorrichtungen durch Lift-Off herzustellen und zu transferieren. Bei einigen Ausführungsformen nutzen die Technologien einen Precursor in Form eines Substrats mit einer darauf gebildeten Opferschicht. Die Opferschicht kann eine oder mehr Eigenschaften besitzen, die es ihr ermöglichen, die Bearbeitung einer auf ihr gebildeten Konversionsschicht zu überstehen, und das Entfernen des Substrats durch einen Lift-Off-Prozess zu erleichtern. Bei einigen Ausführungsformen kann die Opferschicht eingerichtet sein, eine Bearbeitung unter relativ hohen Temperaturen zu überstehen, ohne dass die Leistung der Konversionsschicht wesentlich beeinflusst wird, und das Entfernen des Substrats vermittels Laser-Lift-Off zu erleichtern.

Description

QUERBEZUG ZU VERWANDTEN ANMELDUNGEN
Die vorliegende Anmeldung ist eine internationale Anmeldung der am 28. Juli 2014 eingereichten US Patentanmeldung Nr. 14/444,504 und beansprucht deren Priorität mit dem Titel „Verfahren zur Herstellung von Wellenlängenkonvertern für Festkörper-Beleuchtungsanwendungen“, die in der vorliegenden Schrift vollständig durch Bezugnahme aufgenommen ist.
GEBIET
Die vorliegende Offenbarung betrifft allgemein Wellenlängenkonverter, und insbesondere Technologien, bei denen Opfermaterialschichten für die Herstellung von Wellenlängenkonvertern für Leuchtdioden (LED) Verwendung finden.
HINTERGRUND
Festkörperlichtquellen wie Leuchtdioden (LEDs) erzeugen sichtbares oder nicht sichtbares Licht in einem spezifischen Bereich des elektromagnetischen Spektrums in Abhängigkeit der Materialzusammensetzung der LED. Wenn beabsichtigt wird, eine LED-Lichtquelle zu konstruieren, die eine Farbe erzeugt, die sich von der Ausgangsfarbe der LED unterscheidet, ist es bekannt, die Lichtausgabe der LED mit einer Peak-Wellenlänge („primäres Licht“) mithilfe von Photolumineszenz in Licht zu wandeln, das eine andere Peak-Wellenlänge („sekundäres Licht“) besitzt.
Photolumineszenz geht allgemein mit der Absorption von primärem Licht mit höherer Energie durch ein Wellenlängen-Konversionsmaterial („Konversionsmaterial“) wie etwa einem Leuchtstoff oder einer Mischung von Leuchtstoffen einher. Diese Absorption regt das Konversionsmaterial in einen höheren Energiezustand an. Wenn das Konversionsmaterial in einen niedrigeren Energiezustand zurückkehrt, emittiert es sekundäres Licht, das allgemein eine längere Wellenlänge besitzt als das primäre Licht. Die Peak-Wellenlänge des sekundären Lichts kann von der Art des Leuchtstoff-Materials abhängen. Dieser Vorgang kann allgemein als „Wellenlängenkonversion“ bezeichnet werden. Eine LED in Kombination mit einer Wellenlängenkonversionsstruktur, die ein Konversionsmaterial wie etwa einen Leuchtstoff beinhaltet, um sekundäres Licht zu erzeugen, kann als eine „Leuchtstoffkonvertierte LED“ oder „Wellenlängenkonvertierte LED“ beschrieben werden.
Bei einer aus dem Stand der Technik bekannten Ausgestaltung wird ein LED-Chip wie etwa eine Gruppe III-Nitrid Chip in einem Reflektor-Schalengehäuse und einem Volumen positioniert. Um primäres Licht in sekundäres Licht zu wandeln, kann eine Wellenlängen-Konversionsstruktur („Wellenlängen-Konverter“) bereitgestellt sein. Der Wellenlängenkonverter kann in Form einer selbsttragenden „Platte“ integriert sein, etwa einer Keramikplatte oder einer Einkristall-Platte. In jedem Fall kann der Wellenlängenkonverter unmittelbar auf der LED aufgebracht sein, z.B. vermittels Wafer-Bonden, Sintern, Kleben etc. Eine derartige Ausgestaltung kann als „Chip Level Conversion“ bzw. „CLC“ verstanden werden. Alternativ kann der Wellenlängenkonverter von der LED entfernt positioniert sein. Eine derartige Ausgestaltung kann als „Remote Conversion“ verstanden werden.
Aus dem Stand der Technik sind zahlreiche Verfahren zur Herstellung von Wellenlängenkonvertern und Leuchtvorrichtungen einschließlich solcher Konverter bekannt. Zum Beispiel kann ein Wellenlängenkonverter in Form einer selbstragenden Platte aus Leuchtstoffmaterial hergestellt werden. Eine solche Platte kann in eine Vielzahl von einzelnen Wellenlängenkonvertern gewürfelt bzw. geschnitten werden, die für eine spezifische Beleuchtungsanwendung dimensioniert oder anderweitig ausgestaltet sind. Zum Beispiel können die einzelnen Wellenlängenkonverter derart dimensioniert werden, dass sie zur Verwendung in Zusammenhang mit einer oder mehr LEDs geeignet sind, in welchem Fall die Konverter über der Licht-emittierenden Fläche einer LED mithilfe von bekannten Techniken wie etwa einer Bestückungs- bzw. „Pick-and-Place“-Technologie angeordnet werden können. Alternativ oder zusätzlich können Wellenlängenkonverter durch Abscheiden oder Aufwachsen von einem oder mehr Konversionsmaterialien auf einem LED-Wafer oder Chip gebildet werden.
Obgleich die bestehenden Technologien zur Herstellung von Wellenlängenkonvertern und Lichtquellen nützlich sind, können sie den Konvertern Einschränkungen hinsichtlich verschiedener Eigenschaften, die verwendet werden können, auferlegen. Zum Beispiel kann die Bestückungstechnologie die Verwendung von Wellenlängenkonvertern, die eine bestimmte Größe und/oder Dicke besitzen, erforderlich machen. In ähnlicher Weise können Bearbeitungsparameter, die verwendet werden, um ein Wellenlängenkonversionsmaterial auf einem LED-Chip abzuscheiden, die Leistung von einem oder mehr Bauteilen eines LED-Chips beschädigen oder die Leistung von einem oder mehr Bauteilen des Chips nachteilig beeinflussen. Daher besteht Interesse an der Entwicklung von neuen technischen Verfahren zur Herstellung von Wellenlängenkonvertern und der Verbringung dieser auf die entsprechenden Lichtquellen durch neue Integrationsmethoden.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Es wird nun Bezug genommen auf die nachfolgende detaillierte Beschreibung, die in Zusammenschau mit den folgenden Figuren gelesen werden sollte:
1 ist ein Ablaufdiagramm von beispielhaften Vorgängen einer Ausführungsform eines Verfahrens zur Herstellung eines Wellenlängenkonverters gemäß der vorliegenden Offenbarung.
Die 2A bis 2G erläutern schrittweise die Bildung eines beispielhaften Wellenlängenkonverters gemäß der vorliegenden Offenbarung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Die vorliegende Offenbarung wird nun anhand der beigefügten Zeichnungen erläutert, in den beispielhafte Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Offenbarung gezeigt sind. Es sei angemerkt, dass die Beispiele in den Figuren lediglich der Veranschaulichung und dem besseren Verständnis dienen und dass die hier beschriebenen Verfahren, Wellenlängenkonverter, und Vorrichtungen in vielen Formen ausgebildet werden bzw. sein können und nicht auf die vorliegend beschriebenen, dargestellten Ausführungsformen in den Figuren oder spezifischen Ausführungsformen beschränkt sind.
Bezugnahmen auf die Farbe eines Leuchtstoffs, einer LED oder eines Konversionsmaterials betreffen allgemein dessen Emissionsfarbe, falls nicht anderweitig angegeben. Somit emittiert eine blaue LED ein blaues Licht, ein gelber Leuchtstoff emittiert ein gelbes Licht, und so weiter.
Falls vorliegend verwendet bedeuten die Begriffe „etwa“ und „im Wesentlichen“ bei Verwendung in Zusammenhang mit einem numerischen Wert oder Bereich +/–5% des genannten numerischen Werts oder Bereichs.
Von Zeit zu Zeit können ein oder mehr Aspekte der vorliegenden Offenbarung mithilfe von Bereichen beschrieben sein. In solchen Fällen sei angemerkt, dass die angegebenen Bereiche beispielhaft sind, wenn nicht ausdrücklich anderweitig angegeben. Ferner sollen die angegebenen Bereiche dahingehend verstanden werden, dass diese alle einzelnen Werte, die innerhalb des angegebenen Bereichs liegen, beinhalten, als ob diese ausdrücklich erwähnt wurden. Ferner sollten die Bereiche dahingehend verstanden werden, Teilbereiche innerhalb des angegebenen Bereichs zu umfassen, als ob solche Teilbereiche ausdrücklich erwähnt wurden. Beispielhaft sollte ein Bereich von 1 bis 10 dahingehend verstanden werden, 2, 3, 4 etc. sowie den Bereich von 2 bis 10, 3 bis 10, 2 bis 8, etc. zu umfassen, als ob solche Werte und Bereiche ausdrücklich angegeben wären.
Im Sinne der vorliegenden Offenbarung betrifft der Begriff „primäres Licht“ von einer Lichtquelle, etwa einer Leuchtdiode, emittiertes Licht.
Falls vorliegend verwendet bedeutet der Begriff „sekundäres Licht“ Licht, welches durch Konversion von primärem Licht vermittels zumindest einem ersten Wellenlängenkonversionsmaterial erzeugt wurde.
Der Begriff „ausgegebenes Licht“ wird vorliegend verwendet, um Licht zu bezeichnen, das von einer Lichtquelle ausgegeben wird, z.B. die kombinierte Lichtemission, die beabstandet von einer Lichtquelle beobachtet wird. Das ausgegebene Licht kann primäres Licht, sekundäres Licht, tertiäres Licht, Kombinationen dieser, und dergleichen umfassen. Ohne hierauf beschränkt zu sein hat ausgegebenes Licht gemäß der vorliegenden Offenbarung bevorzugt eine Farbtemperatur im Bereich von etwa 2000 K bis etwa 6000 K, wie etwa ungefähr 4000 K. Selbstverständlich kann ausgegebenes Licht mit anderen Farbetemperaturen verwendet werden und ist von der vorliegenden Offenbarung umfasst.
Eines oder mehr der Elemente der vorliegenden Offenbarung können numerisch bezeichnet sein, z.B. als erstes, zweites oder drittes Element. In diesem Zusammenhang sei angemerkt, dass die numerische Bezeichnung lediglich der Verdeutlichung dient (z.B. um ein Element von einem anderen zu unterscheiden), und dass so bezeichnete Elemente nicht durch deren spezifische numerische Bezeichnung beschränkt sind. Darüber hinaus kann die vorliegende Schrift gelegentlich Bezug nehmen auf ein erstes Element, das sich „auf“ einem zweiten Element befindet. In diesem Zusammenhang sei angemerkt, dass das erste Element unmittelbar auf dem zweiten Element befindlich sein kann (also ohne Elemente, die sich zwischen ihnen befinden), oder dass sich ein oder mehr dazwischen befindliche Elemente zwischen dem ersten und zweiten Element befinden können. Der Begriff „unmittelbar auf“ hingegen bedeutet, dass das erste Element auf dem zweiten Element ohne dazwischen befindliche Elemente vorhanden ist.
Falls vorliegend verwendet sind Einzahlausdrücke wie „ein/eine/einer/eines“ und „der/die/das“ nicht auf die jeweilige Singularform beschränkt, sondern sollen auch die Pluralformen abdecken, falls die nicht eindeutig anderweitig im Kontext angegeben.
Wenn vorliegend verwendet werden die Begriffe „Leuchtdiode“ und „LED“ austauschbar verwendet, und betreffen jede Leuchtdiode oder eine andere Art von Träger-Injektions/Übergangs-basiertem System, das in der Lage ist, Strahlung als Reaktion auf ein elektrisches Signal zu erzeugen. Insbesondere betrifft der Begriff LED Leuchtdioden aller Art (einschließlich Halbleiter- und organische Leuchtdioden), die eingerichtet sein können, Licht in verschiedenen Teilen des elektromagnetischen Spektrums zu erzeugen. Nicht-beschränkende Beispiele von geeigneten LEDs, die verwendet werden können, beinhalten verschiedene Arten von Infrarot-LEDs, UV-LEDs, roten LEDs, grünen LEDs, blauen LEDs, gelben LEDs, bernsteinfarbenen LEDs, orangenen LEDs, und weißen LEDs. Derartige LEDs können eingerichtet sein, Licht über ein breites Spektrum (z.B. das gesamte sichtbare Spektrum) oder ein schmales Spektrum zu emittieren.
Ein Aspekt der vorliegenden Offenbarung betrifft Verfahren zur Herstellung eines Wellenlängenkonverters, der eingerichtet ist, primäres Licht in sekundäres Licht zu wandeln. In dieser Hinsicht wird auf 1 Bezug genommen, bei der es sich um ein Ablaufdiagram von beispielhaften Vorgängen eines Verfahrens zur Bildung eines Wellenlängenkonverters gemäß der vorliegenden Offenbarung handelt. Wie gezeigt beginnt das Verfahren 100 bei Block 101. Das Verfahren kann dann zu Block 102 voranschreiten, wobei ein Träger bereitgestellt werden kann. Allgemein kann der Träger ein Substrat beinhalten, auf dem eine Opferschicht gebildet wird. Dieses Konzept ist in den 2A und 2B dargestellt, welche die Bildung einer Opferschicht 202 auf dem Substrat 201 veranschaulichen, um den Träger 203 (hier auch als Precursor, oder Precursor 203 bezeichnet) zu bilden.
Das Substrat 201 kann aus einem beliebigen geeigneten Material gebildet sein. In manchen Ausführungsformen ist oder beinhaltet das Substrat 201 eines oder mehr Substratmaterialien, welche die Bildung einer Opferschicht 202 über eine oder mehr Abscheidungs- oder Aufwachstechniken unterstützen. Nicht-beschränkende Beispiele solcher Materialien umfassen Saphir, Quartzglas, verschiedene Arten von Granaten, andere Oxide, und Kombinationen dieser. Ohne hierauf beschränkt zu sein handelt es sich bei dem Substrat 201 bevorzugt um Saphir, etwa R-Ebene oder C-Ebene Saphir.
Die Opferschicht 202 kann allgemein dahingehend fungieren, die Trennung des Substrats 201 von anderen Elementen eines Schichtenstapels, die bei der Bildung eines Wellenlängenkonverters gemäß der vorliegenden Offenbarung verwendet werden können, zu erleichtern. Zum Beispiel, wie untenstehend genauer beschrieben werden wird, kann die Opferschicht 202 eingerichtet sein, die Trennung des Substrats 201 zu erleichtern, z.B. vermittels eines Lift-Off-Vorgangs, bei dem eine oder mehr Lichtquellen eingesetzt werden, wie etwa ein Laser. In solchen Ausführungsformen kann die Opferschicht 202 die Entfernung des Substrats 201 erleichtern und gleichzeitig im Wesentlichen intakt bleiben. Deshalb kann in manchen Ausführungsformen das Substrat 201 entfernt werden, ohne die Entfernung einer Opferschicht 202 zu erfordern. Mit anderen Worten können die hier beschriebenen Verfahren das Substrat 201 von einem Schichtstapel entfernen, ohne die Entfernung von zumindest einem Teil der Opferschicht 202 zu erfordern, und bevorzugt ohne die Entfernung von im Wesentlichen eines beliebigen Teils der Opferschicht 202 zu bedingen.
Wie ebenfalls untenstehend beschrieben werden wird, kann die Opferschicht 202 auch derart eingerichtet sein, dass sie Bearbeitungsparametern standhalten kann, die während anderer Teile der hier beschriebenen Verfahren angewendet werden können, wie etwa, ohne jedoch hierauf beschränkt zu sein, einem Schritt der Wärmebehandlung, der angewendet werden kann, um eine oder Eigenschaften einer Konversionsschicht 204 anzupassen. Ohne hierauf beschränkt zu sein, ist die Opferschicht 202 bevorzugt eingerichtet, solchen Bearbeitungsbedingungen standzuhalten, ohne eine oder mehr Eigenschaften einer Konversionsschicht 204, etwa die Quantenausbeute des Konversionsschicht 204, wesentlich zu beinträchtigen.
„Ohne eine oder mehr Eigenschaften der Konversionsschicht 204 wesentlich zu beeinträchtigen“ kann dahingehend verstanden werden, zu bedeuten, dass gemäß der vorliegenden Offenbarung eine relevante Eigenschaft der Konversionsschicht 204, die in den hier beschriebenen Verfahren verwendet wird, im Wesentlichen mit den Eigenschaften einer im Übrigen identischen Konversionsschicht, die in Abwesenheit einer Opferschicht gebildet wurde, übereinstimmt. Zum Beispiel, falls eine Konversionsschicht, die in Abwesenheit einer Opferschicht gebildet wurde, einen bestimmten Quantenausbeutenwert darstellen kann, z.B. 80 %, kann die Quantenausbeute einer identischen Konversionsschicht 204, die in der hier beschriebenen Weise verwendet/gebildet wird, eine Quantenausbeute von innerhalb 5 % von 80 % darstellen, trotz der Verwendung der Opferschicht 202.
Vor diesem Hintergrund kann die Opferschicht 202 aus einem oder mehr Opfermaterialien gebildet sein oder diese beinhalten. Beispiele von geeigneten Opfermaterialien beinhalten, ohne darauf beschränkt zu sein, verschiedene Typen von Oxiden (z.B. Übergangsmetalloxide und Seltenerdoxide) und Nitriden wie etwa Aluminiumnitrid (AlN), Galliumnitrid (GaN), Siliziumnitrid (Si₃N₄), Titaniumnitrid (TiN), Zirkoniumnitrid (ZrN), Ceriumoxid (CeO₂), Betagalliumoxide (b-Ga₂O₃), Hafniumoxid (HfO₂), Zinkoxid (ZnO), Zirkoniumoxide, Bornitrid, Kombinationen dieser, und dergleichen. Ohne hierauf beschränkt zu sein ist die Opferschicht 202 bevorzugt aus einem Oxid wie etwa CeO₂, HfO₂, gebildet, und in manchen Ausführungsformen ist die Opferschicht 202 CeO₂.
Die Opferschicht 202 kann auf einem Substrat 201 in jedweder geeigneten Art und Weise gebildet werden, etwa durch jedweden passenden Aufwachs- oder Abscheideprozess. Nicht-beschränkende Beispiele für geeignete Prozesse, die verwendet werden können, um die Opferschicht 202 auf dem Substrat 201 zu bilden, beinhalten gepulste Laserdeposition (PLD), Ionenstrahl-gestützte PLD, Sputtern, Aerosol-Abscheidung, Elektronenstrahlverdampfen, chemische Dampfphasenabscheidung (CVD), Atomlagenabscheidung (ALD), Kombinationen dieser, und dergleichen. Ohne hierauf beschränkt zu sein wird die Opferschicht 202 bevorzugt durch Abscheiden einem oder mehr Opfermaterialien vermittels PLD oder Elektronenstrahlverdampfen gebildet.
Beispielhaft können in manchen Ausführungsformen eines oder mehr der oben angeführten Opfermaterialien (z.B. CeO₂) auf dem Substrat 201 (z.B. R-Ebene oder C-Ebene Saphir) in einer Kammer zur gepulsten Laserdeposition abgeschieden werden. Die Abscheidung kann in einer Argon-, Stickstoff-, Wasserstoff-Atmosphäre oder Kombinationen dieser, und dergleichen, erfolgen. Ohne hierauf beschränkt zu sein wird die Abscheidung der oben genannten Opfermaterialien bevorzugt in einer Sauerstoff-Atmosphäre mit einem Partialdruck im Bereich vom etwa 1 × 10^–8 Torr bis etwa 1 Torr durchgeführt. Die Kammertemperatur, die bei einem derartigen Prozess verwendet wird, kann jedwede geeignete Temperatur sein zum Beispiel im Bereich von etwa 20 °C bis etwa 1000 °C oder mehr liegen. Ohne hierauf beschränkt zu sein liegt die Kammertemperatur im Bereich von etwa 700 bis 900 °C, etwa von 800 bis etwa 875 °C. In manchen Ausführungsformen wird die Opferschicht durch Abscheiden von CeO₂ in einer PLD-Kammer bei einer Kammertemperatur von etwa 850 °C gebildet.
Die Dicke der Opferschicht 202 kann stark variieren. Zum Beispiel kann die Dicke der Opferschicht im Bereich von etwa 20 Nanometer (nm) bis etwa 5 Mikrometer liegen, wie etwa ungefähr 50 nm bis etwa 4 Mikrometer, etwa 100 nm bis etwa 3 Mikrometer, oder auch etwa 500 nm bis etwa 3 Mikrometer. Ohne hierauf beschränkt zu sein, ist die Opferschicht 202 in manchen Ausführungsformen aus CeO₂ gebildet und besitzt eine Dicke innerhalb der oben angegebenen Bereiche, etwa zwischen etwa 1 bis etwa 3 Mikrometer.
Obgleich die 2A und 2B eine beispielhafte Ausführungsform veranschaulichen, bei welcher der Precursor 203 eine einzelne Opferschicht 202 beinhaltet, die unmittelbar auf einer ersten Oberfläche (nicht beschriftet) des Substrats 201 gebildet ist, ist eine derartige Struktur nicht erforderlich. Tatsächlich können in manchen Ausführungsformen eine oder mehr zusätzliche Schichten zwischen dem Substrat 201 und der Opferschicht 202 vorhanden sein. Beispielhaft kann die Opferschicht 202 in der Form von mehreren Schichten von Opfermaterial vorliegen, von denen jede oder beide vorteilhafte Materialeigenschaften wie die hier Beschriebenen haben können. Alternativ oder zusätzlich können eine oder mehr Schichten (z.B. eine Grenzflächenschicht, eine Pufferschicht, etc., alle nicht dargestellt) auf der ersten Oberfläche des Substrats 201 gebildet werden, woraufhin die Opferschicht 202 auf einer freiliegenden Oberfläche der anderen Schicht(en) gebildet werden kann.
Obgleich sich die obige Beschreibung auf die Bildung eines Precursors 203 beinhaltend das Substrat 201 und die Opferschicht 202 konzentriert hat, sei angemerkt, dass die Bildung eines solchen Precursors nicht erforderlich sein muss, insbesondere wenn der Precursor 203 vermittels anderer Mittel wie etwa kommerzieller Vertriebswege verfügbar ist. Deshalb kann in manchen Ausführungsformen die Bildung der Opferschicht 202 auf Substrat 201 entfallen, und ersetzt werden durch die reine Bereitstellung eines Precursors 203, der ein Substrat 201 beinhaltet, auf dessen einen ersten Oberfläche vorab die Opferschicht 202 gebildet wurde, entweder unmittelbar oder auf einer anderen Schicht.
In jedem Fall kann das Verfahren zu Block 103 voranschreiten, wobei eine Konversionsschicht auf einer Oberfläche der Opferschicht 202 gebildet werden kann, sobald die Opferschicht 202 gebildet wurde (oder falls der Precursor 203 anderweitig bereitgestellt wurde). Dieses Konzept ist in 2C gezeigt, welche die Bildung einer Konversionsschicht 204 unmittelbar auf der Oberfläche der Opferschicht 202 veranschaulicht. Obgleich die Konversionsschicht 204 bevorzugt unmittelbar auf der Oberfläche der Opferschicht 202 gebildet ist, ist ein solcher Aufbau nicht erforderlich. Tatsächlich können eine oder mehr Schichten eines anderen Materials zwischen der Opferschicht 202 und der Konversionsschicht 204 gebildet sein.
Die Konversionsschicht 204 kann ein oder mehr Konversionsmaterialien beinhalten, die eingerichtet sind, primäres Licht (z.B. von einer Lichtquelle wie etwa einem LED Chip emittiert) in sekundäres Licht zu wandeln. Nicht-beschränkende Beispiele von geeigneten Konversionsmaterialien, die in der Konversionsschicht 204 verwendet werden können, beinhalten Leuchtstoffe wie Oxidgranat-Leuchtstoffe und Oxynitrid-Leuchtstoffe. In manchen Ausführungsformen ist oder beinhaltet das in der Konversionsschicht 204 verwendete Konversionsmaterial einen oder mehr Leuchtstoffe, ausgewählt aus: Granaten wie Cerium-aktiviertem Yttrium-Aluminium-Granat (Y₃Al₅O₁₂:Ce³⁺), hier auch als YAG:CE bezeichnet) Cerium-aktiviertem Lutetium-Aluminium-Granat (Lu₃Al₅O_12:Ce⁺³), Cerium-aktiviertem Terbium-Aluminium-Granat (Tb₃Al₅O₁₂:Ce⁺³), Stickstoff-Leuchtstoffen wie etwa M₂Si₅N₈:Eu^–2, wobei M=Ca, Sr, Ba; Oxynitrid-Leuchtstoffen wie etwa MSi₂O₂N₂:Eu⁺², wobei M=Ca,Sr,Ba; Silikat-Leuchtstoffen wie etwa BaMgSi₄O₁₀:Eu^2–M₂SiO₄ EU^2–, wobei M=Ca,Sr,Ba; Kombinationen davon und dergleichen. Zusätzlich oder alternativ kann die Konversionsschicht 204 ein oder mehr Konversionsmaterialien ausgewählt aus MA1SiN₃:Eu beinhalten, wobei M ein Metall ausgewählt aus Ca, Sr, Ba ist; A₂O₃:RE³⁺, wobei A ausgewählt ist aus Sc, Y, La, Gd, Lu und RE³⁺ ein dreiwertiges Seltenderd-Ion wie etwa Eu³⁺ ist;
anderen dreiwertigen und höher Metalloxid-Leuchtstoffen dotiert mit zweiwertigen oder dreiwertigen Seltenerd-Ionen wie etwa EU³⁺, CE^3–, Eu²⁺, Tb³⁺ etc., einschließlich funktioneller Gruppen wie Molybdaten, Niobdaten oder Wolframaten. Selbstverständlich können andere Konversionsmaterialien, die einem Fachmann bekannt sein können, ebenfalls in der Konversionsschicht 204 verwendet werden.
Ohne hierauf beschränkt zu sein ist die Konversionsschicht 204 bevorzugt gebildet aus oder beinhaltet YAG:Ce und die Opferschicht 202 ist gebildet aus oder beinhaltet CeO₂. Dabei kann YAG:Ce Licht in dem blauen Bereich des sichtbaren Spektrums in Licht im gelben Bereich konvertieren.
Die Konversionsschicht 204 kann auf jedwede geeignete Art und Weise gebildet werden, etwa über gepulste Laserdeposition (PLD), Ionenstrahl-gestütztes PLD, Sputtern, Elektronenstrahlabscheidung, Aerosolabscheidung, und chemische Gasphasenabscheidung. Ohne hierauf beschränkt zu sein wird die Konversionsschicht 204 bevorzugt vermittels PLD oder Ionenstrahl-gestützter PLD gebildet.
In manchen Ausführungsformen kann die Konversionsschicht 204 durch Platzieren des Precursors 203 in einer PLD-Kammer gebildet werden, woraufhin die Konversionsschicht 204 auf einer Oberfläche des Opferschicht 202 abgeschieden werden kann. Das Aufwachsen der Konversionsschicht 204 kann in einer Argon-, Stickstoff-, Wasserstoff- oder Sauerstoff-Atmosphäre erfolgen. Ohne hierauf beschränkt zu sein, erfolgt die Bildung der Konversionsschicht 204 bevorzugt in einer Sauerstoffatmosphäre mit einem Partialdruck im Bereich von etwa 0,5 bis etwa 10 Milli-Tor (mTorr), etwa von ungefähr 1 bis etwa 5 mTorr oder auch etwa 3 mTorr. Die Substrattemperatur während der Abscheidung der Konversionsschicht 204 kann im Bereich von 20 °C bis 1000 °C liegen. Ohne hierauf beschränkt zu sein, liegt die Substrattemperatur bevorzugt im Bereich von etwa 500 bis etwa 800 °C, wie etwa ungefähr 700 °C. In manchen Ausführungsformen wird die Konversionsschicht durch Abscheiden von YAG:Ce in einer PLD-Kammer bei einer Substrattemperatur von etwa 40 °C gebildet.
In manchen Ausführungsformen wird die Konversionsschicht 204 durch Abscheiden von YAG:Ce in einer Argon und Sauerstoff Atmosphäre mit einem Sauerstoff-Partialdruck von etwa 3 mTorr und einer Substrattemperatur von etwa 700 °C gebildet. In dieser Hinsicht sei darauf hingewiesen, dass die PLD-Abscheidung von YAG:Ce in den folgenden Referenzen beschrieben ist: Jae Young Choe, "Luminuescence and compositional analysis of: Y₃Al₅O_12: Ce films fabricated by pulsed-laser deposition" Mat. Res. Innovat., vol. 6, pp. 238–241 (2002); T.C. May-Smith "Comparative growth study of garnet crystal films fabricated by pulsed laser deposition," Journal of Crystal Growth, Vol. 308, pp. 382–391 (2007); and M. Kottaisamy et al. "Color tuning of Y₃Al₅O₁₂:Ce phosphor and their blend for white LEDs," Materials Research Bulletin, Vol. 34, pp. 1657–1663 (2008), deren gesamter Inhalt hierin durch Bezugnahme aufgenommen ist.
Die Dicke der Konversionsschicht 204 kann deutlich variieren. Zum Beispiel kann die Dicke der Konversionsschicht 204 im Bereich von etwa 0,5 Mikrometer bis etwa 30 Mikrometer liegen, zum Beispiel von etwa 1 bis etwa 20 Mikrometer, oder auch von etwa 1 bis etwa 10 Mikrometer. Selbstverständlich kann die Konversionsschicht 204 auch in jedweder anderen geeigneten Dicke gebildet werden.
Obgleich 2C und die vorstehende Beschreibung ein Verfahren erläutern, bei dem die Konversionsschicht 204 als zusammenhängende Schicht auf einer Oberfläche einer Opferschicht 202 gebildet wird, sei angemerkt, dass eine derartige Struktur nicht erforderlich ist, und dass die Konversionsschicht 204 in jedweder geeigneten Art und Weise und in jedweder geeigneten Ausgestaltung gebildet werden kann. Zum Beispiel kann es in manchen Ausführungsformen erwünscht sein, isolierte Bereiche und/oder eine Strukturierung der Konversionsschicht 204 auf der Opferschicht 202 zu bilden. Dies kann unter Verwendung jedweder geeigneten Technik erzielt werden, wie etwa, ohne hierauf beschränkt zu sein, Photolitographie. Zum Beispiel kann vor der Abscheidung der Konversionsschicht 204 eine Schicht Photolack (nicht dargestellt) auf der Oberseite der Opferschicht 202 abgeschieden werden, z.B. vermittels Spin-Coating oder einer anderen geeigneten Technik. Teile der Photolackschicht können dann zum Beispiel einem UV-Licht oder einem anderen aus dem Stand der Technik bekannten Licht ausgesetzt werden. Im Anschluss an eine solche Aussetzung kann ein Entwickler auf die Photolackschicht aufgebracht werden, um nicht-freiliegende Bereiche der Photolackschicht zu entfernen.
Nach der Aufbringung des Entwicklers kann der verbleibende Teil der Photolackschicht eine Struktur oder eine andere gewünschte Form auf der Oberfläche der Opferschicht 202 bilden, bei der ein Teil der Oberfläche der Opferschicht 202 unbedeckt ist und ein Teil durch freiliegenden Photolack bedeckt bleibt. Das zur Bildung der Konversionsschicht 204 verwendete Konversionsmaterial kann dann wie oben angegeben abgeschieden werden, z.B. vermittels PLD oder Elektronenstrahl-Verdampfen. In Folge einer solchen Abscheidung bzw. Verdampfung kann der verbliebene Photolack mit jedwedem darauf gebildeten Konversionsmaterial entfernt werden (z.B. durch hochtemperiertes Sintern), wohingegen das auf der freiliegenden Fläche der Opferschicht 202 abgeschiedene Konversionsmaterial verbleiben kann. Auf diese Weise kann die Konversionsschicht 204 in einer Strukturierung oder einer anderen erwünschten Verteilung auf der Oberfläche der Opferschicht 202 gebildet werden.
Unter Rückbezug auf 1, nachdem die Konversionsschicht 204 gebildet wurde, schreitet das Verfahren zu Block 104 voran, wobei die Konversionsschicht 204 wärmebehandelt werden kann, um eine oder mehr ihrer Eigenschaften anzupassen, z.B. die Quantenausbeute. Zum Beispiel kann die gemäß Block 103 gebildete Konversionsschicht 204 in manchen Ausführungsformen einen ersten Grad einer Quantenausbeute zeigen. Ohne hierauf beschränkt zu sein, kann der erste Grad an Quantenausbeute im Bereich von größer als 0 bis weniger als etwa 70 % liegen, z.B. etwa 20 bis etwa 60%. Die gemäß Block 104 angewendete Wärmebehandlung kann die Quantenausbeute der Konversionsschicht auf einen zweiten Wert der Quantenausbeute einstellen, der größer ist als der erste Grad der Quantenausbeute. Zum Beispiel kann der zweite Grad der Quantenausbeute im Bereich von etwa 60 bis etwa 90 % oder mehr liegen, z.B. etwa 70 bis 90 %, oder sogar 75 bis 85 %. Ohne hierauf beschränkt zu sein kann der zweite Grad der Quantenausbeute, der von der Konversionsschicht 204 nach der Wärmebehandlung gezeigt wird, etwa 70 bis etwa 85 % betragen, z.B. etwa 75 bis etwa 85 % oder auch etwa 80 bis etwa 85 %. Allgemeiner gesagt kann in manchen Ausführungsformen der zweite Grad der Quantenausbeute, die von der Konversionsschicht 204 nach der Wärmebehandlung gezeigt wird, mehr als etwa 60 %, mehr als etwa 70 %, oder auch mehr als etwa 80 %, betragen. Ohne hierauf beschränkt zu sein, ist der zweite Grad der Quantenausbeute, die von der Konversionsschicht 204 gezeigt wird, bevorzugt größer als etwa 70 % und besonders bevorzugt größer als etwa 80 %.
Eine große Vielzahl von Wärmebehandlungen kann gemäß Block 104 angewendet werden, um eine oder mehr Eigenschaften der Konversionsschicht 204 einzustellen, z.B. deren Quantenausbeute. In manchen Ausführungsform kann die Wärmebehandlung gemäß Block 104 das Tempern der Struktur aus 2C bei einer erhöhten Temperatur sein oder beinhalten, um dadurch die Quantenausbeute der Konversionsschicht 204 von einem ersten (wie abgeschiedenen) Wert auf einen zweiten Wert (nach der Wärmebehandlung) einzustellen. In dieser Hinsicht kann das Tempern der Konversionsschicht 204 auf jedwede geeignete Art und Weise erfolgen, z.B. vermittels Mikrowellentempern, schnelles thermisches Tempern, Tempern in einem Ofen (z.B. einem Röhrenofen, Banddurchlaufofen, oder dergleichen), Kombinationen dieser, und dergleichen.
In manchen Ausführungsformen kann das Tempern der Konversionsschicht 204 durchgeführt werden, indem die Struktur aus 2C für einen bestimmten Zeitraum einer Temper-Temperatur (T1) ausgesetzt wird. T1 kann zum Beispiel im Bereich von größer gleich 1100 °C bis etwa 3000 °C liegen, z.B. größer gleich 1300, 1400, 1500, oder 1600 °C bis etwa 3000 °C. Die Temperzeit kann von mehreren Minuten bis mehreren Stunden oder sogar ein oder mehreren Tagen reichen. Ohne hierauf beschränkt zu sein liegt die Temperzeit bevorzugt im Bereich von etwa 15 Minuten bis etwa 30 Minuten. Ohne hierauf beschränkt zu sein kann die Struktur aus 2C bevorzugt in einem Banddurchlaufofen unter einer 6 %-igen Wasserstoff(Rest Stickstoff)-Gasumgebung bei einer Temperatur von etwa 1600 °C mit einer Bandgeschwindigkeit von 0,5 Zoll pro Minute getempert werden. In anderen nicht-beschränkenden Ausführungsformen handelt es sich bei der Konversionsschicht 204 um YAG:Ce, welche durch Tempern in einem Ofen bei einer Temperatur T1 von größer gleich 1600 °C für etwa 3 Minuten wärmebehandelt wird. Nach dem Tempern kann das YAG:Ce einen zweiten Grad der Quantenausbeute zeigen, der größer gleich etwa 60 % ist, z.B. größer gleich etwa 70 %, 80 %, oder auch größer glich etwa 90 %.
Wie oben angegeben kann die Konversionsschicht 204 bei einer relativ hohen Temperatur wärmebehandelt werden, nachdem sie auf der Opferschicht 202 abgeschieden wird. Es kann deshalb wünschenswert sein, die Opferschicht 202 derart zu wählen und/oder einzurichten, dass sie die gemäß Block 104 angewandte Wärmebehandlung übersteht, und ohne dass eine oder mehr Eigenschaften der Konversionsschicht 204, wie etwa die Quantenausbeute, wesentlich beeinträchtig werden.
Deshalb kann in manchen Ausführungsformen die Opferschicht 202 aus einem oder mehr Opfermaterialien gebildet sein oder diese beinhalten, welche einen Schmelzpunkt haben, der die Tempertemperatur (T1), die während der Wärmebehandlung der Konversionsschicht 204 angewendet wird, überschreitet. Ohne hierauf beschränkt zu sein kann bzw. können das bzw. die in der Opferschicht 202 verwendeten Material/ien einen Schmelzpunkt besitzen, der im Bereich von größer gleich etwa 1400 °C oder sogar größer gleich etwa 1600 °C liegt.
In manchen Ausführungsformen ist die Konversionsschicht 204 YAG:Ce, das bei einer Temperatur von mehr als 1600 °C gemäß Block 104 wärmebehandelt wird, und die Opfermaterialien in der Opferschicht 202 besitzen einen Schmelzpunkt, der größer gleich 1600 °C ist. Nicht-beschränkende Beispiele von Opfermaterialien mit einem Schmelzpunkt von größer gleich etwa 1600 °C beinhalten AlN, CeO₂, b-Ga₂O₃, HfO₂, TiN, ZnO, ZrN, und ZrO₂. Ohne hierauf beschränkt zu sein ist die Opferschicht 202 bevorzugt aus CeO₂ gebildet, das einen Schmelzpunkt von etwa 2400 °C besitzt.
Wie zu schätzen gewusst werden wird, wenn das/die Opfermaterial/ien in der Opferschicht 202 einen Schmelzpunkt besitzen, der die Temper-Temperatur überschreitet, können derartige Materialien nicht schmelzen, wenn die Konversionsschicht 204 gemäß Block 104 wärmebehandelt wird. Wie jedoch später beschrieben werden wird, kann der Schmelzpunkt des Materials bzw. der Materialien in der Opferschicht 202 die Energiemenge beeinträchtigen, die erforderlich ist, um die Bindung zwischen der Opferschicht 202 und dem Substrat 201 zu schwächen oder zu brechen, z.B. gemäß einem Lift-Off Prozess. Als solches kann es erwünscht sein, Opfermaterialien zur Verwendung in der Opferschicht 202 zu wählen, die einen Schmelzpunkt besitzen, der höher als die Temper-Temperatur ist, die gemäß Block 104 aufgebracht wird, die jedoch nicht übermäßig hoch ist. Deshalb kann in manchen Ausführungsformen der Schmelzpunkt der in der Opferschicht 202 verwendeten Opfermaterial/ien im Bereich von größer als 1600 °C bis etwa 2500 °C liegen, z.B. größer als 1600 °C bis etwa 2400 °C. Nicht-beschränkende Beispiele solcher Materialien beinhalten CeO₂, b-Ga₂O₃, HfO₂ und ZnO. Wiederum ohne hierauf beschränkt zu sein ist die Opferschicht 202 bevorzugt aus CeO₂ gebildet.
Weil die Konversionsschicht 204 bei einer relativ hohen Temperatur wärmebehandelt wird, kann es zu einem thermischen Abbau (z.B. Pyrolyse, Ionenerzeugung, etc.) kommen. In diesem Fall besteht die Möglichkeit, dass Ionen, Abbauprodukte und andere Bestandteile der Opferschicht 202 in eine oder mehr Eigenschaften der Konversionsschicht 204 migrieren und diese möglicherweise beeinträchtigen. Zum Beispiel können Ionen oder andere Bestandteile der Opferschicht 202, weil die Konversionsschicht 204 wärmebehandelt wird, in die Konversionsschicht 204 migrieren und deren Quantenausbeute negativ beeinflussen. Es kann deshalb wünschenswert sein, die Opferschicht 202 aus Opfermaterialien zu bilden, die nicht thermisch abgebaut werden und/oder die während der Wärmebehandlungsvorgangs nicht wesentlich thermisch abgebaut werden.
Deshalb kann in manchen Ausführungsformen die Opferschicht 202 aus Opfermaterialien gebildet sein bzw. diese beinhalten, welche einen thermischen Abbaupunkt haben (unter einer Gasumgebung, die während der Wärmebehandlung verwendet wird), welcher die Temperatur (z.B. die Temper-Temperatur T1) übersteigt, die gemäß Block 104 aus 1 angewendet wird. Ohne hierauf beschränkt zu sein kann/können das/die in der Opferschicht 202 verwendeten Material(ein) einen thermischen Abbaupunkt besitzen, der im Bereich von größer gleich etwa 1400 °C, oder auch größer gleich etwa 1600 °C liegt. In manchen Ausführungsformen ist der thermische Abbaupunkt des in der Opferschicht 202 verwendeten Opfermaterials höher als 1600 °C. CeO₂ ist ein Beispiel eines Opfermaterials, das einen thermischen Abbaupunkt besitzt, der über 1600 °C liegt, obgleich andere Materialien, die diesen Zusammenhang erfüllen, auch verwendet werden können (z.B. AlN, ZrO₂ und dergleichen).
Mit anderen Worten kann die Opferschicht 202 derart eingerichtet sein, dass Ionen, Abbauprodukte oder andere Bestandteile davon während des oben angegebenen Wärmebehandlungsvorgangs nicht oder nicht wesentlich nach innerhalb der Konversionsschicht 204 migrieren. Dies kann dahingehend verstanden werden, dass während einer Wärmebehandlung Ionen oder andere Komponenten in die Konversionsschicht 204 bis zu einem Abstand D migrieren können, der weniger als 10 % der Dicke der Konversionsschicht 204 ist, etwa weniger als 5 % oder auch weniger als 1 % der Dicke der Konversionsschicht 204.
Alternativ oder zusätzlich, kann die Opferschicht 202 derart eingerichtet sein, dass sie eine oder mehr Eigenschaften der Konversionsschicht 204 nicht wesentlich beeinträchtigt, obgleich sie während der gemäß Block 104 angewendeten Wärmebehandlung relativ hohen Temperaturen ausgesetzt wird. Dies kann dahingehend verstanden werden, dass eine oder mehr Eigenschaften der Konversionsschicht 204 einen ersten Wert besitzen kann bzw. können, wenn sie wie oben erläutert in Gegenwart der Opferschicht 202 wärmebehandelt werden, wobei der erste Wert innerhalb von etwa 5 % des Werts der gleichen Eigenschaft liegt, den eine identische Konversionsschicht besitzt, die bei Fehlen einer Opferschicht auf identische Weise wärmebehandelt wird. Zum Beispiel kann eine Konversionsschicht 204, die gemäß der vorliegenden Offenbarung in Gegenwart der Opferschicht 202 wärmebehandelt wurde, eine Quantenausbeute von etwa 80 % besitzen, die innerhalb von 5 % der Quantenausbeute einer identischen Konversionsschicht liegen kann, die bei Fehlen der Opferschicht 204 auf identische Weise wärmebehandelt wurde. Ein Beispiel eines Konversionsmaterials, das diesen Beziehung erfüllen kann, ist CeO₂, obgleich andere Materialien, die diesen Beziehung erfüllen, ebenfalls verwendet werden können.
Unter Rückbezug auf 1 kann das Verfahren nach der Wärmebehandlung der Konversionsschicht 204 zum optionalen Block 105 voranschreiten, bei dem die Struktur aus 2C optional an einem Träger befestigt werden kann. Dieses Konzept ist in 2D veranschaulicht, welche den optionalen Träger 205 veranschaulicht, der an einer Oberfläche der Konversionsschicht 204 befestigt ist.
Der Träger 205 kann aus jedwedem geeigneten Material gebildet werden. Nicht-beschränkende Beispiele geeigneter Materialien, die verwendet werden können, um den Träger 205 zu bilden, beinhalten Leuchtdioden wie etwa Leuchtdioden mit einer oder mehr Wafer-Ebenen und/oder organische Leuchtdioden, und Licht nicht-emittierende Träger wie Glas, Kupfer, Polycarbonat, Polyimid, andere organische oder anorganische Materialien, Kombinationen dieser, und dergleichen. Ohne hierauf beschränkt zu sein, ist der Träger 205 bevorzugt eine Leuchtvorrichtung, wie etwa eine oder mehr Leuchtdioden.
Der Träger 205 kann auf der Konversionsschicht 204 in einer beliebigen Art und Weise befestigt werden. In manchen Ausführungsformen kann der Träger 205 unmittelbar an die Konversionsschicht 204 gebonded werden, z.B. ohne Verwendung eines Klebstoffs. Alternativ können ein oder mehr Klebstoffe verwendet werden, um den Träger 205 an die Konversionsschicht 204 zu koppeln. Nicht-beschränkende Beispiele geeigneter Klebstoffe beinhalten Silikone, Epoxide, Cristobalitwachs, Glas mit niedrigem Schmelzpunkt, andere organische oder anorganische Klebstoffe, Klebeband, Metalle, Kombinationen dieser, und dergleichen. Bei Verwendung kann ein Klebstoff in der Form einer Klebeschicht (nicht dargestellt) vorliegen, die zwischen der Konversionsschicht 204 und dem Träger 205 vorhanden sein kann. Alternativ oder zusätzlich kann der Träger 205 mechanisch an die Struktur aus 2C derart gekoppelt werden, dass eine Oberfläche des Trägers 205 nahe einer Oberfläche der Konversionsschicht 204 ist.
In manchen Ausführungsformen handelt es sich bei dem Träger 205 um eine oder mehr Leuchtdioden oder er beinhaltet diese. Beispielhaft kann der Träger 205 eine Vielzahl von Leuchtioden beinhalten, die auf oder angrenzend an der Oberfläche eines Substrats ausgebildet sind oder dort anhaften. In solchen Fällen kann die Struktur aus 2D an den Träger 205 mithilfe eines beliebigen geeigneten Mechanismus gekoppelt werden. Beispielhaft können die Struktur aus 2D und der Träger 205 derart ausgerichtet sein, dass die Lichtemissionsfläche von einer oder mehr LEDs auf dem Träger 205 der oberen Oberfläche (wie in 2D gezeigt) der Konversionsschicht 204 zugewandt ist. In Fällen, bei denen die Konversionsschicht 204 strukturiert oder in isolierten Bereichen gebildet wurde, kann die Ausrichtung der Trägers 205 und der Struktur aus 2D ferner das Ausrichten der Teile der Konversionsschicht 204 mit der Lichtemissionsfläche der entsprechenden LEDs auf Träger 205 beinhalten. Der Träger 205 und die Struktur aus 2D können dann in Wirkverbindung gebracht werden, z.B. indem der Träger 205 und die obere Oberfläche der Konversionsschicht 204 zusammengebracht werden. Das Koppeln der Struktur aus 2D und des Trägers 205 kann dann auf jedwede geeignete Art und Weise wie oben angegeben erzielt werden. Ohne hierauf beschränkt zu sein erfolgt das Befestigen des Trägers 205 an der Struktur aus 2D bevorzugt vermittels Bonden, z.B. mit einem Klebstoff, der vorher auf die geeignete Fläche des Trägers 205, der Konversionsschicht 204, oder einer Kombination dieser aufgebracht wurde.
Unter Rückbezug auf 1 kann das Verfahren zu Block 106 voranschreiten, bei dem das Substrat entfernt werden kann. Dieses Konzept ist in den 2E und F veranschaulicht, welche die Trennung des Substrats 201 von der Opferschicht 202 veranschaulichen.
Das Substrat 201 kann durch einen beliebigen geeigneten Prozess entfernt werden. Ohne darauf beschränkt zu sein, wird das Substrat 201 bevorzugt mithilfe eines Lift-Off Prozesses wie etwa einem Laser-Lift-Off-Verfahren entfernt. Deshalb wird in manchen Ausführungsformen die Entfernung des Substrats 201 zumindest teilweise durch die Bestrahlung des Precursors 203 (mit der Konversionsschicht 204 und optional dem Träger 205 darauf) mit Licht erleichtert, das eine Wellenlänge λ1 besitzt. In dieser Hinsicht kann das Substrat 201 eingerichtet sein, Licht der Wellenlänge λ1 zu transmittieren, wohingegen die Opferschicht 202 eingerichtet sein kann, das Licht der Wellenlänge λ1 effizient zu absorbieren. Ein Fachmann wird wissen, dass die Absorption von λ1 durch die Opferschicht 202 zur Erzeugung von Wärme führen wird, welche die physikalischen und/oder chemischen Bindungen der Opferschicht schwächen oder sogar aufbrechen kann, um die Bindung zwischen dem Substrat 201 und der Opferschicht 202 zu schwächen. Im Ergebnis kann sich das Substrat 201 automatisch von dem Substrat 201 lösen und/oder durch die Aufbringung von mechanischer Kraft entfernt werden, während die Opferschicht 202 im Wesentlichen intakt bleibt.
Das vorgenannte Konzept ist in den 2E und F gezeigt, wobei das Licht 206 mit der Wellenlänge λ1 abgebildet ist, als dass es durch das Substrat 201 transmittiert wird, um auf der Opferschicht 202 aufzutreffen. Das Licht 206 kann durch jedwede geeignete Lichtquelle erzeugt werden, z.B. Laser und Nicht-Laser Quellen. Ohne hierauf beschränkt zu sein, wird das Licht 206 bevorzugt durch einen Laser erzeugt, einschließlich Stickstoff-Lasern und Excimer-Lasern basierend auf Ar₂*, ArBr*, ArCl*, F₂*, ArF*, KrF*, NeF*, Kr₂*, KrBr*, KrCl*, Krl*, Xe₂*, XeBr*, XeCl*, XeI* Excimern, Kombinationen dieser, und dergleichen. Die Wellenlänge λ1 kann jedwede geeignete Wellenlänge innerhalb der ultravioletten, sichtbaren oder infraroten Bereiche des Spektrums sein. Ohne hierauf beschränkt zu sein liegt λ1 bevorzugt im ultravioletten Bereich des Spektrums. In manchen Ausführungsformen beträgt λ1 400 nm oder weniger, z.B. etwa 50 bis etwa 400 nm, oder auch 150 bis 400 nm. In spezifischen nicht-beschränkenden Ausführungsformen beträgt λ1 355 nm, 248 nm, oder 193 nm.
Das Licht 206 kann mit jedem geeigneten Lichtstrom angewendet werden, wobei der Lichtstrom dargestellt werden kann durch Joule pro Quadratzentimeter (J/cm²). In manchen Ausführungsformen kann das Licht 206 einen Lichtstrom im Bereich von etwa 0,1 bis etwa 5 J/cm² besitzen, z.B. etwa 0,1 bis 3,5 J/cm². Wie es verstanden werden wird, können solche Lichtströme deutlich geringer sein als die Lichtströme, die in einem Laser-Lift-Off-Verfahren angewendet werden, das in Zusammenhang mit der Herstellung von Galliumnitrid LEDs verwendet wird.
Um die Transmission von λ1 durch das Substrat 201 zu ermöglichen, kann das Substrat 201 eingerichtet sein, um eine erste Bandlückenenergie (BG₁) zu besitzen, welche die Energie (E_L) des Lichts 206 der Wellenlänge λ1 übersteigt. Wie es von einem Fachmann verstanden werden wird, kann die Energie eines Lichtphotons mithilfe der Gleichung E = hc/λ berechnet werden, wobei E die Energie in Joule ist, h das Planck’sche Wirkungsquantum ist, c die Lichtgeschwindigkeit und λ die Wellenlänge des betreffenden Lichts ist. Die Variable E kann mithilfe der Umrechnungsformel 1 Joule (J) = 6,24 × 10¹⁸ Elektronenvolt (eV) in Elektronenvolt umgerechnet werden. Es sei deshalb angemerkt, dass wenn λ1 355, 248 oder 193 nm beträgt, die Energie dieses Lichts gleich 3,49 eV bzw. 4,99 eV bzw. 6,42 eV beträgt. Mit anderen Worten kann λ1 eine Energie E_L im Bereich von etwa 3 bis etwa 6,5 eV besitzen und BG₁ kann größer als E_L sein. Saphir ist ein nicht-beschränkendes Beispiel eines Substratmaterials, das eine Bandlückenenergie BG₁ gemäß der vorstehenden Bereiche besitzen kann.
Wie oben angeführt ist die Opferschicht 202 bevorzugt eingerichtet, λ1 effizient zu absorbieren, um dadurch Wärme in der Nähe der Grenzfläche zwischen der Opferschicht 202 und dem Substrat 201 zu erzeugen. Um eine effiziente Absorption von λ1 zu ermöglichen, besitzt die Opferschicht 202 bevorzugt eine Bandbreitenenergie BG₂, die geringer ist als die Energie von Licht mit einer Wellenlänge λ1. Mit anderen Worten kann λ1 eine Energie E_L im Bereich von etwa 3 bis etwa 6,5 eV haben, und BG₂ kann kleiner als E_L sein. In manchen Ausführungsformen liegt BG₂ im Bereich von etwa 3 bis etwa 6 eV, z.B. etwa 3,6 bis etwa 4,1 eV. Ein Beispiel eines Opfermaterials, das eine Bandlücke innerhalb solcher Bereiche besitzt, ist CeO₂, obgleich andere geeignete Materialien auch verwendet werden können.
Zusammengefasst kann das Licht 206 in manchen Ausführungsformen eine Energie E_L haben, das Substrat 201 kann eine erste Bandlückenenergie BG₁ haben, und die Opferschicht 202 kann eine zweite Bandlückenenergie BG₂ haben, wobei die folgende Beziehung erfüllt ist: BG₂ < E_L < BG₁.
Wie oben angeführt kann die Absorption von Licht 206 durch die Opferschicht 202 zur Erzeugung von Wärme in der Nähe der Grenzfläche zwischen dem Substrat 201 und der Opferschicht 202 führen. Diese Wärme kann Bindungen der Opferschicht schwächen oder aufbrechen und somit die Bindung zwischen dem Substrat 201 und der Opferschicht 202 zu schwächen, wodurch die Entfernung des Substrats 201 erleichtert wird. Vor diesem Hintergrund kann es wünschenswert sein, die Opferschicht 202 derart einzurichten, dass durch die Absorption von Licht 206 erzeugte Wärme in einem Bereich in der Nähe der Grenzfläche zwischen der Opferschicht 202 und dem Substrat 201 konzentriert wird. Ein Weg, wie dies erreicht werden kann, besteht in der Bildung der Opferschicht 202 aus Materialien, die eine relativ geringe thermische Leitfähigkeit besitzen. Durch Beschränken der relativen Leitfähigkeit der Opferschicht 202 kann die Verbringung von Wärme, die durch die Absorption von Licht 206 erzeugt wird, entsprechend begrenzt werden. Im Ergebnis kann eine derartige Wärme an der Grenzfläche zwischen der Opferschicht 202 und dem Substrat 201 isoliert werden.
Beispielhaft kann die Opferschicht 202 aus Materialien gebildet sein oder diese beinhalten, die eine thermische Leitfähigkeit besitzen, die von größer als 0 bis etwa 50 Watt pro Meter Kelvin (W/mK) reichen, z.B. etwa 0,4 bis etwa 25 W/(m K), oder auch etwa 0,5 bis etwa 5 W/(m K). Ohne hierauf beschränkt zu sein besitzt die Opferschicht 202 bevorzugt eine thermische Leitfähigkeit, die kleiner als 1 W/(m K) beträgt, z.B. etwa 0,5 W/(m K). Beispiele von Materialien, die eine thermische Leitfähigkeit in diesen Bereichen zeigen können, beinhalten CeO₂ (0,5 W/(m K)), HfO₂ (23 W/(m K)), Si₃N₄ (30 W/m K)), TiN (25 W/(m K)), ZnO (2 bis 5 W/(m K)), und ZrO₂ (2,2 W(m K)). Ohne hierauf beschränkt zu sein, ist die Opferschicht bevorzugt CeO₂.
Gemäß den vorstehenden Ausführungen kann das Laser-Lift-Off-Verfahren durch Bestrahlen des Precursors 203 (einschließlich Konversionsschicht 204 und Träger 205) fortgesetzt werden. Wie in den 2E und 2F gezeigt, kann Licht 206 durch das Substrat 201 transmittiert werden, um auf der Opferschicht 202 aufzutreffen. Wie oben angeführt, kann die Opferschicht 202 Licht 206 absorbieren und in Wärme wandeln, die an einer Grenzfläche zwischen dem Substrat 201 und der Opferschicht 202 konzentriert werden kann. Eine solche Wärme kann die chemischen und/oder physikalischen Bindungen der Opferschicht schwächen oder sogar brechen und somit die Bindung zwischen dem Substrat 201 und der Opferschicht 202 schwächen. Im Ergebnis kann sich das Substrat 201 selbsttätig „ablösen“ oder von der Opferschicht 202 lösen. Alternativ oder zusätzlich kann die Entfernung des Substrats 201 ferner durch die Anwendung von mechanischer Kraft erleichtert werden, falls erforderlich. In jedem Fall kann die Entfernung dies Substrats 201 die Opferschicht 202 im Wesentlichen intakt lassen, wie in 2F gezeigt.
Sobald das Substrat 201 entfernt wurde, kann das Verfahren aus 1 zum optionalen Block 107 fortschreiten, bei dem die Opferschicht 202 optional entfernt werden kann. Falls erwünscht kann die Entfernung der Opferschicht 202 auf jedwede geeignete Art und Weise erzielt werden. In manchen Ausführungsformen kann die Opferschicht 202 durch chemisches Ätzen, indem diese ultravioletter Strahlung ausgesetzt wird, reaktivem Ionenätzen, Kombinationen dieser, und dergleichen entfernt werden. Ohne hierauf beschränkt zu sein, wird die Opferschicht 202 bevorzugt durch chemisches Ätzen entfernt. In jedem Fall kann die Entfernung der Opferschicht 202 zu der in 2G gezeigten Struktur führen, bei der die Konversionsschicht 204 isoliert oder auf dem optionalen Träger 205 angeordnet sein kann.
Sobald die Opferschicht 202 entfernt wurde, oder falls eine solche Entfernung nicht erwünscht ist, kann das Verfahren bei dem optionalen Block 108 fortgesetzt werden, bei dem der optionale Träger 205 entfernt werden kann. Selbstverständlich kann dieser Schritt dann entfallen, wenn der Träger 205 nicht verwendet wird oder falls die Entfernung des Trägers 205 nicht gewünscht ist. Wenn der Träger 205 verwendet wurde und seine Entfernung erwünscht ist, kann die Entfernung des Trägers 205 in jedweder geeigneten Art und Weise erreicht werden. Zum Beispiel in Fällen, in denen der Träger 205 an der Konversionsschicht 204 mit einem Klebstoff angehaftet wurde, kann die Entfernung des Träger 205 durch mechanische Entfernung des Trägers 205 erreicht werden, entweder zusammen mit einem Vorgang zur Abschwächung oder (Ab-)Lösung des Klebstoffs.
Das Verfahren kann dann zu Block 109 voranschreiten und enden, wobei zu diesem Zeitpunkt ein Wellenlängenkonverter gemäß der vorliegenden Offenbarung hergestellt werden kann.
BEISPIEL
Zum Zweck der Verdeutlichung wird die vorliegende Offenbarung nun mehrere Beispiele von Wellenlängenkonvertern gemäß der vorliegenden Offenbarung beschreiben. Es sei angemerkt, dass die folgenden Beispiele lediglich beispielhaft sind, und sie sollen nicht dahingehend verstanden werden, als würden sie den gesamten Schutzumfang der hier beschriebenen Erfindung darstellen.
In diesem Beispiel wurden Wellenlängenkonverter durch Aufwachsen von Opferschichten aus CeO₂ auf Saphirsubstraten hergestellt, um Precursor herzustellen. Genauer gesagt wurde eine CeO₂-Opferschicht auf jedem Saphirsubstrat vermittels gepulster Laserdeposition bei einer Temperatur von etwa 850 °C in einer Gas-Atmosphäre mit einem Argon- und Sauerstoff-Partialdruck von etwa 1 × 10^–6 bis etwa 400 mTorr aufgewachsen. Dann wurde eine Schicht aus YAG:Ce auf der CeO₂-Opferschicht von jedem Stapel mithilfe von gepulster Laserdeposition bei 850 °C in einer Gas-Atmosphäre mit einem Sauerstoff-Partialdruck von 3 mTorr aufgewachsen.
Die resultierenden Stapel wurden daraufhin bei 1600 °C wärmebehandelt. Die Quantenausbeute der YAG:Ce-Schichten wurde in jedem Stapel gemessen, wobei manche der Schichten eine Quantenausbeute von etwa 80 % besitzen. Der Stapel von jeder Probe wurde auch mithilfe Rasterelektronenmikroskopie untersucht, wobei sich gezeigt hat, dass das Saphirsubstrat und die CeO₂-Opferschicht jedes Stapels nach der Wärmebehandlung im Wesentlichen intakt blieben.
Anschließend wurde der Stapel jeder Probe an einer blaues Licht-emittierenden Vorrichtung oder einem Leuchtdioden-Wafer, der blaues Licht emittiert, mithilfe eines Klebstoffs wie etwa Silikonklebstoff, Cristobalitwachs, etc. befestigt, so dass jeder Träger in der Nähe der YAG:Ce-Schicht war. Die resultierenden Strukturen wurden dann mit einem Laser mit einer Wellenlänge von 193 nm oder 248 nm bestrahlt. Das Laserlicht traf zuerst auf der freiliegenden Fläche des Saphirsubstrats auf. Das gesamte oder fast das gesamte durch das Saphirsubstrat transmittierte Licht wurde durch die entsprechende CeO₂-Opferschicht absorbiert. In manchen Fällen führte dies zu der Ablösung des Saphirsubstrats ohne die Aufbringung einer mechanischen Kraft. In anderen Fällen wurde eine mechanische Kraft aufgebracht, um das Substrat zu entfernen. In jedem Fall wurde die CeO₂-Opferschicht von jeder Probe vermittels Rasterelektronenmikroskopie untersucht, wobei festgestellt wurde, dass sie nach der Entfernung des Saphirsubstrats im Wesentlichen intakt waren.
Die resultieren Strukturen wurden dann weiter bearbeitet, um die CeO₂-Opferschichten vermittels nasschemischem Ätzen oder reaktivem Ionenätzen (RIE) zu entfernen, was zu YAG:Ce Wellenlängenkonvertern der in 2G gezeigten Struktur führt.
Anders als in den Beispielen oder an anderer Stelle angegeben, sind alle Zahlen, die Endpunkte von Bereichen und so weiter angeben, die im Beschreibungsteil und in den Ansprüchen verwendet werden, dahingehend zu verstehen, dass sie jederzeit durch die Begriffe „etwa/ungefähr“ modifiziert werden können. Demnach handelt es sich, falls nicht anderweitig angegeben, bei den im Beschreibungsteil und den beigefügten Ansprüchen angeführten numerischen Parametern um Näherungswerte, die in Abhängigkeit der gewünschten Eigenschaften, die durch die vorliegenden Offenbarung angestrebt und erhalten werden sollen, variieren können. Zuletzt sollte, keineswegs in der Absicht, die Anwendung der Lehre von Entsprechungen auf den Schutzbereich der Ansprüche zu beschränken, jeder numerische Parameter in Anbetracht der Anzahl signifikanter Ziffernstellen und üblicher Rundungsansätze betrachtet werden.
Ungeachtet dessen, dass die numerischen Bereiche und Parameter, die den breiten Schutzumfang der vorliegenden Erfindung darlegen, Näherungswerte sind, falls nicht anderweitig angegeben, sind die numerischen in den spezifischen Beispielen angeführten Werten so exakt wie möglich wiedergeben. Jeder numerische Wert enthält jedoch naturgemäß gewisse Fehler, die sich aus der bei den jeweiligen Prüfmessungen festgestellten Standardabweichung ergeben.
Andere Ausführungsbeispiele der Erfindung werden einem Fachmann unter Berücksichtigung des Beschreibungsteils und der praktischen Anwendung der hier offenbarten Erfindung ersichtlich. Der Beschreibungsteil und die Beispiele sollen als lediglich beispielhaft betrachtet werden, wobei ein echter Schutzumfang und Geist der Erfindung durch die nachfolgenden Ansprüche angegeben ist.

Claims

Verfahren zur Bildung eines Wellenlängenkonverters, umfassend: Bilden einer Konversionsschicht auf einem Träger, wobei der Träger ein Substrat mit einer darauf gebildeten Opferschicht aufweist, wobei die Konversionsschicht in der Lage ist, ein primäres Licht in ein sekundäres Licht zu konvertieren; Wärmebehandeln zumindest der Konversionsschicht bei einer ersten Temperatur (T1), um zumindest eine Eigenschaft der Konversionsschicht einzustellen; Bestrahlen der Opferschicht durch das Substrat mit von einer Lichtquelle emittiertem Licht mit einer Wellenlänge (λ1), um die Trennung des besagten Substrats von der besagten Opferschicht zu erleichtern; und Trennen des besagten Substrats von der besagten Opferschicht; wobei: die besagte Opferschicht ein Opfermaterial mit einer Schmelztemperatur größer als T1 und einer thermischen Zersetzungstemperatur von größer als T1 aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die besagte Wärmebehandlung bei einer Temperatur von größer gleich etwa 1600 °C durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das besagte Opfermaterial und Bestandteile dessen während der besagten Wärmebehandlung im Wesentlichen nicht in die besagte Konversionsschicht migrieren.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die besagte Lichtquelle ein Laser ist, die λ1 eine Energie (E_L) besitzt, das besagte Substrat eine erste Bandlückenenergie (BG₁) besitzt, die besagte Opferschicht eine zweite Bandlückenenergie (BG₂) besitzt, und BG₂ < E_L < BG₁ ist.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei BG₂ im Bereich von etwa 3 bis etwa 6 Elektronenvolt (eV) liegt.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das besagte Opfermaterial ein Oxid oder ein Nitrid ist.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei das besagte Opfermaterial ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus AlN, CeO₂, b-Ga₂O₃, GaN, HfO₂, Si₃N₄, TiN, ZnO, ZrN, und ZrO₂.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das besagte Opfermaterial CeO₂ ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die besagte Opferschicht im Wesentlichen aus CeO₂ besteht.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die besagte Konversionsschicht zumindest einen Leuchtstoff ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Cerium-aktiviertem Yttrium Aluminium-Granat, Cerium-aktiviertem Yttrium-Gadolinium-Aluminium-Granat, Cerium-aktiviertem Lutetium-Aluminium-Granat, Europium- oder Cerium-aktiviertem Erdalkali-Siliziumoxynitrid, und Europium- oder Cerium-aktiviertem Silizium-Aluminiumoxynitrid-Leuchtstoff umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die besagte Konversionsschicht Cerium-aktivierten Yttrium-Aluminium-Granat aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das besagte Substrat Saphir ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das besagte Opfermaterial eine thermische Leitfähigkeit von kleiner gleich 5 Watt pro Meter Kelvin (W/(m·K)) besitzt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die besagte zumindest eine Eigenschaft eine Quantenausbeute der besagten Konversionsschicht aufweist.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei nach der besagten Wärmebehandlung die Quantenausbeute der besagten Konversionsschicht größer als etwa 70 % ist.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend das Befestigen eines Trägers an der Konversionsschicht bevor dem besagten Bestrahlen.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei der besagte Träger zumindest eine Leuchtdiode mit einer Lichtemissionsfläche aufweist, und das besagte Befestigen ein Koppeln der besagten Lichtemissionsfläche an die besagte Konversionsschicht umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei während dem besagten Bestrahlen: zumindest ein Teil des besagten Lichts mit einer Wellenlänge von λ1 durch das besagte Substrat transmittiert wird, um auf der besagten Opferschicht aufzutreffen; und die besagte Opferschicht zumindest einen Teil des besagten Lichts absorbiert, um dadurch Wärme im Wesentlichen an einer Grenzfläche zwischen der besagten Opferschicht und dem besagten Substrat zu erzeugen, wobei die besagte Wärme ausreichend ist, um physikalische Bindungen zwischen dem besagten Substrat und der besagten Opferschicht zu schwächen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Opferschicht CeO₂ aufweist und das Substrat Saphir ist.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei die besagte Lichtquelle ein Laser ist, λ1 eine Energie E_L besitzt, das besagte Substrat eine erste Bandlücke BG₁ besitzt, und die besagte Opferschicht eine zweite Bandlücke BG₂ besitzt, und BG₂ < B_L < BG₁.