DE112019004013T5

DE112019004013T5 - Verfahren zur Herstellung eines Konversionselements, Konversionselement und lichtemittierendes Bauelement umfassend das Konversionselement

Info

Publication number: DE112019004013T5
Application number: DE112019004013.8T
Authority: DE
Inventors: Darshan Kundaliya; Jeffery J. Serre; James Avallon; Kathleen A. Lawson
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2018-08-10
Filing date: 2019-08-01
Publication date: 2021-05-20
Also published as: CN112566881B; JP2021532211A; US11692133B2; KR20210034656A; US20220098478A1; US11254865B2; CN112566881A; US20200048547A1; WO2020030529A1; JP7410928B2; KR102591526B1

Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Konversionselements, umfassend:
A) Bereitstellen eines oder mehrerer Vorläufermaterialien, die Lutetium, Aluminium und ein Seltenerdelement umfassen,
B) Mischen des einen oder der mehreren Vorläufermaterialien mit einem Bindemittel und einem Lösungsmittel, so dass eine Aufschlämmung erhalten wird,
C) Ausbilden eines Grünkörpers aus der Aufschlämmung aus Schritt B)
F) Sintern des Grünkörpers, um das Konversionselement zu erhalten, wobei das Sintern bei einer Temperatur von mehr als 1720°C durchgeführt wird.Außerdem werden ein Konversionselement und ein lichtemittierendes Bauelement, das das Konversionselement umfasst, bereitgestellt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Konversionselements. Ferner betrifft die Erfindung ein Konversionselement und ein lichtemittierendes Bauelement, das das Konversionselement umfasst.
Konversionselemente werden häufig in lichtemittierenden Bauelementen, wie beispielsweise LEDs (lichtemittierende Dioden) oder LASER (Bauelementen zur Lichtverstärkung durch stimulierte Emission von Strahlung) eingesetzt. Die optische Leistungsfähigkeit von lichtemittierenden Bauelementen hängt von der Wärmeableitung im Bauelement ab. Um eine effiziente Wärmeableitung zu erreichen, werden Konversionselemente mit hohen Wärmeleitfähigkeiten benötigt. Darüber hinaus besteht ein Bedarf an Verfahren zur Herstellung solcher Konversionselemente, die mit vertretbarem technischen Aufwand kostengünstig durchgeführt werden können.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines Konversionselements anzugeben. Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein Konversionselement und ein lichtemittierendes Bauelement, das das Konversionselement umfasst, mit einer verbesserten Leistungsfähigkeit anzugeben.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche erreicht. Die abhängigen Patentansprüche betreffen weitere Konfigurationen und Entwicklungen.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Konversionselements, umfassend:

A) Bereitstellen eines oder mehrerer Vorläufermaterialien, die Lutetium, Aluminium und ein Seltenerdelement umfassen,
B) Mischen des einen oder der mehreren Vorläufermaterialien mit einem Bindemittel und einem Lösungsmittel, so dass eine Aufschlämmung erhalten wird,
C) Ausbilden eines Grünkörpers aus der Aufschlämmung aus Schritt B)
F) Sintern des Grünkörpers, um das Konversionselement zu erhalten, wobei das Sintern bei einer Temperatur von mehr als 1720°C durchgeführt wird.

Unter dem Begriff Konversionselement ist ein Element zu verstehen, das in der Lage ist, elektromagnetische Strahlung mit einer ersten Wellenlänge (Primärstrahlung) in elektromagnetische Strahlung mit einer zweiten Wellenlänge (Sekundärstrahlung) umzuwandeln, wobei die zweite Wellenlänge länger als die erste Wellenlänge ist. Die Primärstrahlung kann zum Beispiel UV-Licht oder blaues Licht sein und die Sekundärstrahlung kann sichtbares Licht mit einer längeren Wellenlänge sein, wie beispielsweise grünes oder rotes Licht. Beispielsweise ist das Konversionselement ein keramisches Konversionselement, wie beispielsweise ein Keramikplättchen.
Das Verfahren der vorliegenden Erfindung führt zur Bildung eines Konversionselements, das eine erste Phase und eine zweite Phase umfasst. Die erste Phase umfasst Lutetium, Aluminium, Sauerstoff und ein Seltenerdelement, während die zweite Phase Al₂O₃-Einkristalle umfasst. Beispielsweise werden hexagonale Al₂O₃-Einkristalle gebildet, die als Mikroplättchen ausgebildet sein können.
Die erste Phase umfasst beispielsweise LuAG (LuAG = LU₃Al₅O₁₂) , das bevorzugt mit einem Seltenerdelement wie beispielsweise Cer dotiert ist. In diesem Fall umfasst das Konversionselement eine erste Phase, wobei die erste Phase Lu₃Al₅O₁₂:Ce umfasst. Im Gegensatz zu üblichen Herstellungsverfahren, bei denen das resultierende Konversionselement nur eine einzige Phase umfasst (beispielsweise eine einzige Phase aus Lu₃Al₅O₁₂:Ce), wird bei dem Herstellungsverfahren der vorliegenden Erfindung eine zweite Phase, die Al₂O₃-Kristalle umfasst, eingebracht.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben nämlich beobachtet, dass Sintertemperaturen von mehr als 1720°C zur Bildung von Al₂O₃-Einkristallen führen. Während des in Schritt F) durchgeführten Hochtemperatursinterns wachsen diese Kristalle natürlich und betten sich selbst in das Konversionselement ein.
Im Gegensatz dazu werden übliche Herstellungsverfahren - insbesondere Verfahren, die zur Bildung von Konversionselementen aus Lu₃Al₅O₁₂:Ce herangezogen werden - bei niedrigeren Sintertemperaturen durchgeführt, so dass keine zweite Phase aus Al₂O₃-Einkristallen gebildet wird.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben beobachtet, dass Al₂O₃-Einkristalle aufgrund ihrer hohen Wärmeleitfähigkeit die Wärmeableitung in dem erhaltenen Konversionselement erleichtern. Dies führt zu einer verbesserten optischen Leistungsfähigkeit bei Verwendung in einem lichtemittierenden Bauelement. Das Konversionselement ist darüber hinaus in der Lage, einen höheren einfallenden hochenergetischen Photonenfluss (beispielsweise UV- oder blauer Photonenfluss) zu verarbeiten. Dies ist besonders vorteilhaft beim Einsatz in Hochleistungs-LED-Anwendungen oder bei LASER-Anwendungen.
Das Einbringen von Al₂O₃-Einkristallen wird ausschließlich durch die Verwendung einer Temperatur von mehr als 1720°C beim Hochtemperatursintern im Prozessschritt F) erreicht. Das heißt, es muss kein zusätzliches polykristallines oder einkristallines Al₂O₃-Pulver zugegeben werden, um eine zweite Phase von Al₂O₃-Kristallen zu erhalten, sondern die Einbettung der Al₂O₃-Einkristalle erfolgt ausschließlich durch die Temperaturführung.
Während es möglich ist, im Verlauf des erfindungsgemäßen Verfahrens weiteres ein- oder polykristallines Al₂O₃ zuzusetzen, um den Al₂O₃-Kristallgehalt im Konversionselement weiter zu erhöhen, ist eine Zugabe von zusätzlichem Al₂O₃ nicht erforderlich, um im Konversionselement eine zweite Phase auszubilden, die Al₂O₃-Einkristalle umfasst.
Eine andere Möglichkeit, Konversionselemente auszubilden, die Al₂O₃-Kristalle umfassen, ist das absichtliche Einbringen von polykristallinem oder einkristallinem Al₂O₃ während des Herstellungsverfahrens, das bei Temperaturen von 1720°C oder darunter durchgeführt wird. In diesem Fall kann aus dem eingebrachten Al₂O₃ eine Matrixphase ausgebildet werden. Somit kann ein Konversionselement erhalten werden, das eine Lu₃Al₅O₁₂:Ce-Phase und eine Matrixphase aus Al₂O₃ umfasst. Die in einem entsprechenden Verfahren ausgebildete Matrixphase aus Al₂O₃ ist jedoch hochpolykristallin. Polykristallines Al₂O₃ umfasst Korngrenzen, die die Wärmeleitfähigkeit verringern und somit die Wärmeableitung behindern. Außerdem kann in einem solchen Verfahren die Größe der Partikel des zugegebenen Al₂O₃-Pulvers ein begrenzender Faktor für die endgültige Größe der gebildeten Aluminiumoxid-Mikrokristalle sein. Um das Ergebnis entsprechender Verfahren zu verbessern, ist eine umfangreiche technische Bearbeitung und Behandlung des als Ausgangsmaterial verwendeten Al₂O₃-Pulvers erforderlich.
Das erfindungsgemäße Verfahren, wobei einkristallines Al₂O₃ während des Sinterns bei Temperaturen von mehr als 1720°C natürlich gewachsen wird, erfordert im Gegensatz zu entsprechenden Verfahren keine weiteren Verfahrensschritte der Zugabe von Al₂O₃. Darüber hinaus erfordert das erfindungsgemäße Verfahren keine aufwendige Technik und Behandlung, die für die Vorbehandlung von Al₂O₃ in den oben genannten Verfahren erforderlich ist. Daher ist das erfindungsgemäße Verfahren kosteneffizient und erfordert insbesondere keine zusätzlichen technischen Schritte.
Zudem umfasst das resultierende Konversionselement natürlich gewachsenes und selbst eingebettetes einkristallines Al₂O₃, wobei das einkristalline Al₂O₃ im Vergleich zu polykristallinem Al₂O₃ bessere Wärmeleitfähigkeiten aufweist.
Weitere Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens werden im Folgenden erläutert.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Herstellung eines Konversionselements wird Schritt F) bei einer Sintertemperatur von mehr als 1720°C, bevorzugt mehr als 1730°C, beispielsweise mehr als 1740°C durchgeführt. Wie oben erläutert, werden keine nachweisbaren Mengen von Al₂O₃-Einkristallen ausgebildet, wenn das Sintern bei Temperaturen von 1720°C oder darunter durchgeführt wird. Die Bildung von Al₂O₃-Einkristallen kann bei Temperaturen über 1720°C beobachtet werden. Je höher die Temperatur, desto größer sind die Einkristalle und desto besser ist die Wärmeleitfähigkeit des resultierenden Konversionselementes.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Herstellung eines Konversionselements wird Schritt F) bei einer Sintertemperatur von weniger als 1800°C, bevorzugt weniger als 1790°C, noch bevorzugter weniger als 1780°C, zum Beispiel weniger als 1770°C oder sogar weniger als 1760°C durchgeführt. Wenn die Sintertemperatur sehr hoch ist, werden die Einkristalle sehr groß. Ab einem gewissen Punkt wachsen mehrere Einkristalle zusammen. Dies kann zu einer unkontrollierten Clusterbildung im Konversionselement und einer schlechten Verteilung der ausgebildeten Al₂O₃-Kristalle führen. In diesem Fall kann polykristallines Al₂O₃ ausgebildet werden und die Effektivität der Wärmeableitung kann abnehmen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines Konversionselements wird Schritt F) bei einer Sintertemperatur von mehr als 1720°C und weniger als 1780°C, beispielsweise mehr als 1730°C und weniger als 1770°C, wie beispielsweise 1740°C bis 1760°C, beispielsweise 1750°C durchgeführt.
Der Fachmann versteht, dass die Temperaturbereiche in einigen Fällen durch die Ofeneinstellungen beeinflusst werden können. Die Temperaturen können daher bei anderen Ofeneinstellungen geringfügig anders sein, während das Ergebnis das gleiche bleibt.
Wird das Sintern in diesem Bereich durchgeführt, bilden sich Al₂O₃-Einkristalle, die eine ausreichende Größe zur Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit aufweisen und gleichzeitig gut definiert und gut in das Konversionselement eingebettet sind. Eine unerwünschte, unkontrollierte Mehrfachclusterbildung kann so abgemildert oder vermieden werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird Schritt F) in einer reduzierenden Atmosphäre durchgeführt. Zum Beispiel wird das Sintern in Gegenwart von H₂ durchgeführt. Das Sintern kann in einer feuchten H₂-Atmosphäre, in einer Formiergasatmosphäre (d.h. einer Atmosphäre, die N₂ und H₂ umfasst) oder in einer Atmosphäre, die Ar und H₂ umfasst, durchgeführt werden. Während Schritt F) kann eine Reduktion von Vorläufermaterialien, die das Seltenerdelement umfassen, stattfinden. Zum Beispiel wird Ce⁴⁺ zu Ce³⁺ reduziert und damit aktiviert.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird Schritt F) in Gegenwart eines Flussmittels oder eines Sinterhilfsmittels durchgeführt. Das Flussmittel ist zum Beispiel Bariumaluminat. Dem Fachmann ist bekannt, dass Sinterhilfsmittel die Sintertemperatur beeinflussen können. Unterschiedliche Sinterhilfsmittel können zu unterschiedlichen Sintertemperaturen bei gleichem Ergebnis führen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst Schritt A) das Bereitstellen eines ersten Vorläufermaterials, das Lutetium umfasst, das Bereitstellen eines zweiten Vorläufermaterials, das Aluminium umfasst, und das Bereitstellen eines dritten Vorläufermaterials, das ein Seltenerdelement, wie beispielsweise Cer, umfasst. Die ersten, zweiten und dritten Vorläufermaterialien sind bevorzugt aus Oxiden und/oder Nitraten ausgewählt.
Alternativ dazu umfasst Schritt A) das Bereitstellen von nur einem Vorläufermaterial, wobei das eine Vorläufermaterial Lutetium, Aluminium und ein Seltenerdelement, wie beispielsweise Cer, umfasst. Zum Beispiel kann das einzige Vorläufermaterial Lu₃Al₅O₁₂:Ce sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst Schritt A) das Bereitstellen eines ersten Vorläufermaterials, das Lutetium umfasst, eines zweiten Vorläufermaterials, das Aluminium umfasst, und eines dritten Vorläufermaterials, das ein Seltenerdelement umfasst, wobei das erste Vorläufermaterial Lu₂O₃ ist, das zweite Vorläufermaterial Al₂O₃ ist und das dritte Vorläufermaterial CeO₂ ist.
Diese Materialien sind geeignete und leicht verfügbare Ausgangsmaterialien, um ein Konversionselement auszubilden, das eine erste Phase umfasst, die Lu₃Al₅O₁₂:Ce umfasst, und eine zweite Phase, die Al₂O₃-Einkristalle umfasst.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens handelt es sich bei dem einen oder den mehreren Vorläufermaterialien in Schritt A) um Pulver.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform werden das eine oder die mehreren Vorläufermaterialien in Schritt A) in dem stöchiometrischen Verhältnis von Lu₃Al₅O₁₂:Ce bereitgestellt.
Der Gehalt an Cer kann 0 bis 4 at.% betragen, insbesondere 0,01 bis 4 at.%, bevorzugt 0,1 bis 2 at.%. Beispielsweise beträgt der Gehalt an Cer 0,3 bis 0,7 at.%, wie beispielsweise 0,5 at.% oder der Gehalt an Cer beträgt 1,5 bis 1,9 at.%, wie beispielsweise 1,75 at.%. Der Gehalt an Cer kann je nach Bedarf an die Dicke des Konversionselements angepasst werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform werden das eine oder die mehreren Vorläufermaterialien in Schritt A) im stöchiometrischen Verhältnis von Lu₃Al₅O₁₂:Ce bereitgestellt und zusätzlich Sinterhilfsmittel zugegeben.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt das Mischen in Schritt B) durch Kugelmahlen. Das Kugelmahlen führt zu einer Vermischung und Homogenisierung des einen oder der mehreren Vorläufermaterialien zusammen mit dem Bindemittel und dem Lösungsmittel. Das Kugelmahlen kann mit einer kontrollierten Walzgeschwindigkeit durchgeführt werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird das Kugelmahlen über einen Zeitraum von 2 Stunden bis 4 Tagen durchgeführt. Je länger der Zeitraum ist, desto feiner ist die resultierende Aufschlämmung, d.h. die resultierende Aufschlämmung umfasst nur Materialien mit einer sehr feinen Partikelgröße.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist das Lösungsmittel in Schritt B) ein wässriges Lösungsmittel, wie beispielsweise Wasser, oder ein nichtwässriges Lösungsmittel, wie beispielsweise Hexan, Aceton oder Methanol. Wässrige Lösungsmittel, wie beispielsweise Wasser, sind besonders geeignet, da sie umweltfreundlich sind, den LuAG nicht negativ beeinflussen und in Kombination mit verschiedenen Arten von Bindemitteln verwendet werden können.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist das Bindemittel des Verfahrensschritts B) ein Bindemittel auf Basis von oder umfassend Polyvinylidenfluorid (PVDF) oder Polyvinylalkohol (PVA). Diese Bindemittel sind geeignet, um die Bildung von Grünkörpern zu erleichtern.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens zur Herstellung eines Konversionselements ist der Grünkörper in Schritt C) eine Grünfolie, wobei die Grünfolie in Schritt C) aus der Aufschlämmung von Schritt B) durch Bandgießen gebildet wird.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird der Grünkörper aus einer Grünfolie gebildet, wobei die Grünfolie in Schritt C) aus der Aufschlämmung von Schritt B) durch Bandgießen gebildet wird. Es ist weiterhin möglich, dass der Grünkörper eine Grünfolie oder Teile einer Grünfolie umfasst, die in Schritt C) aus der Aufschlämmung von Schritt B) durch Bandgießen ausgebildet werden. Beispielsweise kann der Grünkörper ein aus Grünfolien gebildetes Laminat oder ein aus Teilen einer Grünfolie gebildetes Laminat sein. In diesem Fall kann der Grünkörper als Grünfolienlaminat bezeichnet werden, wie beispielsweise ein Grünfolienlaminat, das zumindest eine Grünfolie oder Teile von zumindest einer Grünfolie umfasst, die in Schritt C) aus der Aufschlämmung von Schritt B) durch Bandgießen ausgebildet wird.
Unter Bandgießen ist ein Gießverfahren zur Herstellung von dünnen keramischen Folien aus einer Aufschlämmung zu verstehen. Die Aufschlämmung wird in einer dünnen Schicht auf eine ebene Fläche gegossen. Auf diese Weise wird die Grünfolie ausgebildet.
Gemäß mindestens einer Ausführungsform des Verfahrens zur Herstellung eines Konversionselements wird die Aufschlämmung auf die Oberfläche einer Polymerfolie gegossen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens umfasst die Polymerfolie Polyethylenterephthalat (PET) oder besteht daraus. Polymerfolien, wie beispielsweise Polymerfolien auf Basis von PET, sind hochflexibel. Sie lassen sich leicht von der entstehenden Grünfolie ablösen, d.h. eine Delaminierung kann einfach durchgeführt werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die resultierende Grünfolie eine Grünfolie, die dazu eingerichtet ist, beim Sintern zu Lu₃Al₅O₁₂:Ce zu reagieren.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens zur Herstellung eines Konversionselements liegt die Dicke der ausgebildeten Grünfolie zwischen 20 µm und 60 µm, beispielsweise zwischen 30 µm und 50 µm, wie beispielsweise 40 µm.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens findet ein Schritt C1) nach Schritt C) statt. Schritt C1) umfasst das Trocknen des Grünkörpers. Der Grünkörper ist zum Beispiel eine Grünfolie, die getrocknet wird.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform findet ein Schritt C2) nach Schritt C) statt, beispielsweise nach Schritt C1). Schritt C2) ist ein Delaminierungsschritt, wobei die Grünfolie von der Polymerfolie getrennt wird.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform findet nach Schritt C), beispielsweise nach Schritt C2), ein Schritt C3) statt. Schritt C3) umfasst das Aufteilen des Grünkörpers in Teile. Das Aufteilen des Grünkörpers in Teile kann durch Schneiden oder Stanzen erfolgen. Beispielsweise handelt es sich bei dem Grünkörper um eine Grünfolie, die durch Schneiden oder Stanzen in Teile einer definierten Größe unterteilt wird.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform haben die Teile der Grünfolie eine Oberfläche von etwa 2 bis 4 Quadratzoll (das sind etwa 12,9 bis 25,8 Quadratzentimeter). Gemäß zumindest einer Ausführungsform haben die Teile eine Dicke zwischen 20 µm und 60 µm, beispielsweise zwischen 30 µm und 50 µm, wie beispielsweise 40 µm.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform findet ein Schritt C4) nach Schritt C3) statt. Schritt C4) umfasst das Laminieren mehrerer Teile von Grünfolien - die beispielsweise in Schritt C3) erhalten werden - übereinander. Auf diese Weise wird ein Grünfolienlaminat ausgebildet.
In Schritt C4) werden 2 bis 12 Teile der Grünfolie, bevorzugt 4 bis 8 Teile der Grünfolie, beispielsweise 6 Teile der Grünfolie, übereinander angeordnet.
Dabei kann Druck zum Ausbilden des Grünfolienlaminats eingesetzt werden.
Im Falle der vorliegenden Erfindung kann der Begriff Grünkörper also als eine beim Bandgießen ausgebildete Grünfolie verstanden werden.
Darüber hinaus kann unter dem Begriff Grünkörper auch ein Grünfolienlaminat verstanden werden, das mehrere übereinander angeordnete Grünfolien oder Teile einer Grünfolie umfasst oder daraus besteht.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform hat der so erhaltene Grünkörper (der vorzugsweise ein Grünfolienlaminat ist) eine Dicke zwischen 50 und 500 µm (nach dem Laminieren), bevorzugt zwischen 230 bis 260 µm, beispielsweise etwa 240 µm (= 6 x 40 µm) .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird nach Schritt C4) ein Schritt C5) durchgeführt. Schritt C5) umfasst das Informbringen des Grünkörpers in die Form eines Plättchens, zum Beispiel durch Schneiden oder Stanzen. Gemäß zumindest einer Ausführungsform haben die Plättchen eine Oberfläche von etwa 2 Quadratmillimetern.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das erfindungsgemäße Verfahren einen Schritt D) des Strukturierens einer Oberfläche des Grünkörpers, der vor dem Schritt F) durchgeführt wird.
Beispielsweise ist der Grünkörper ein Grünfolienlaminat und eine Oberfläche des Grünfolienlaminats wird strukturiert oder der Grünkörper ist eine Grünfolie und eine Oberfläche der Grünfolie wird strukturiert.
Das Strukturieren der Oberfläche vor dem Sintern führt zur Bildung von A1₂O₃-Kristallen, die relativ gleichmäßig an der Oberfläche des Konversionselements verteilt sind. Das heißt, das Strukturieren der Oberfläche verbessert die Verteilung der Al₂O₃-Einkristalle an der Oberfläche des Konversionselements signifikant. Dies kann zumindest teilweise auf eine Vergrößerung der Oberfläche durch das Strukturieren zurückgeführt werden.
Die Al₂O₃-Einkristalle, die an der strukturierten Oberfläche des Konversionselements ausgebildet werden, ragen zumindest teilweise aus dieser Oberflächenstruktur heraus. Die Erfinder haben verstanden, dass die Al₂O₃-Einkristalle als zusätzliche, nicht absorbierende, transparente Streukörper mit einem anderen Brechungsindex wirken. Somit wird ein Konversionselement mit verbesserten Lichtstreueigenschaften erhalten, das als Folge des Strukturierens der Oberfläche ein effizientes Photonenrecycling und eine effiziente Lichtextraktion ermöglicht. Das Strukturieren der Oberfläche in Kombination mit Al₂O₃-Einkristallen ermöglicht eine höhere Absorption von blauen Photonen im Körper des Konversionselements, was zu einer höheren Lumenausgabe von lichtemittierenden Bauelementen führt, die entsprechende Konversionselemente umfassen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt das Strukturieren einer Oberfläche des Grünkörpers durch LASER-Strukturieren, wie beispielsweise LASER-Ätzen. Auf diese Weise kann mit geringem technischem Aufwand eine wohldefinierte Oberflächenstruktur erreicht werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das Strukturieren der Oberfläche die Ausbildung einer Oberflächenstruktur mit einer definierten Tiefe, wobei die Tiefe 5 bis 50 µm, beispielsweise 10 bis 40 µm, wie beispielsweise 10 bis 30 µm oder 10 bis 20 µm betragen kann. Beispielsweise umfasst die Oberflächenstruktur Vertiefungen mit einer Tiefe von 10 bis 40 µm oder von 10 bis 30 µm oder von 10 bis 20 µm. Die Vertiefungen können lineare Vertiefungen wie beispielsweise Furchen sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das Strukturieren der Oberfläche die Ausbildung eines Oberflächenmusters, beispielsweise eines regelmäßigen Oberflächenmusters.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens umfasst das Strukturieren der Oberfläche die Ausbildung von Furchen mit einer definierten Tiefe. Unter einer Furche ist eine Vertiefung zu verstehen, die eine lineare Form aufweist.
Furchen sind besonders geeignet, um eine wohldefinierte Oberflächenstruktur zu erhalten und die Verteilung von Al₂O₃-Einkristallen an der Oberfläche des resultierenden Konversionselements zu erleichtern. Beispielsweise kann das Strukturieren der Oberfläche die Ausbildung einer Vielzahl von Furchen umfassen. Zum Beispiel kann eine Vielzahl von parallelen, äquidistanten Furchen ausgebildet werden.
Gemäß einer Ausführungsform kann das Strukturieren der Oberfläche die Bildung eines karierten Oberflächenmusters umfassen. Das karierte Oberflächenmuster wird durch eine Vielzahl von parallelen Furchen ausgebildet. Beispielsweise wird das karierte Oberflächenmuster durch eine Vielzahl von parallelen Furchen ausgebildet, wobei eine erste Gruppe Gruppe von parallelen Furchen eine zweite Gruppe von parallelen Furchen schneidet, beispielsweise in einem Winkel von 90°.
Ein kariertes Oberflächenmuster ist geeignet, um eine hervorragende Verteilung von Al₂O₃-Einkristallen an der Oberfläche des Konversionselements zu erhalten.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt die durchschnittliche Tiefe der Furchen zwischen 5 µm und 50 µm, bevorzugt zwischen 10 µm und 40 µm.
Ist die Tiefe zu gering, wird der Effekt der Verteilung der Al₂O₃-Einkristalle weniger gleichmäßig. In diesem Fall ist der Effekt der verbesserten Streuung weniger stark ausgeprägt. Ist die Tiefe zu groß, nimmt die Stabilität des resultierenden Konversionselements ab. Das heißt, das resultierende Konversionselement kann leichter beschädigt werden.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben beobachtet, dass eine Tiefe von 10 bis 40 µm in Kombination mit einer Sintertemperatur in Schritt F) von mehr als 1720°C und weniger als 1780°C bevorzugt ist. Darüber hinaus ist eine Tiefe von 10 bis 30 µm für den gegebenen Temperaturbereich besonders bevorzugt, um Al₂O₃-Einkristalle mit einer hervorragenden Verteilung zu erhalten und um Konversionselemente mit einer hohen Effizienz zu erhalten. Darüber hinaus ist eine Tiefe von 10 bis 20 µm ferner bevorzugt, um sowohl eine exzellente Verteilung, Effizienz und Stabilität zu erreichen. Bei einer zu großen Tiefe kann die Stabilität des Konversionselementes abnehmen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst das Strukturieren der Oberfläche die Ausbildung einer Vertiefung und/oder Furchen mit einer Tiefe von 5 bis 20 µm, beispielsweise 5 bis 15 µm, wie beispielsweise 10 µm, in Kombination mit einer Sintertemperatur in Schritt F) von 1770°C bis 1790°C, wie beispielsweise 1775°C bis 1785°C, beispielsweise 1780°C. Diese spezifische Kombination führt zu einer unerwartet hohen optischen Leistungsfähigkeit (siehe 6). Es wird nämlich eine sehr hohe Konversionsquanteneffizienz erreicht.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die Oberflächenstruktur Furchen auf, und die Furchen haben eine durchschnittliche Rastergröße zwischen 25 µm und 50 µm, zum Beispiel von 25 µm bis 40 µm, wie beispielsweise 30 µm. Der Begriff Raster bezieht sich in diesem Fall auf den Abstand zweier Furchen, d.h. auf den Abstand zwischen den tiefsten Punkten zweier benachbarter Furchen in Bezug auf die Oberfläche des Konversionselements.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform kann das Strukturieren der Oberfläche die Ausbildung einer Oberflächenstruktur umfassen, wobei die Oberflächenstruktur durch eine Höhe, d.h. eine Tiefe, und eine Rastergröße gekennzeichnet ist. Unter dem Begriff Tiefe ist beispielsweise die Tiefe einer Vertiefung oder Furche zu verstehen. Der Begriff Rastergröße bezieht sich beispielsweise auf den Abstand zwischen zwei Vertiefungen oder Furchen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das Strukturieren der Oberfläche das Ausbilden einer Oberflächenstruktur, die ein Verhältnis von Tiefe zu Rastergröße in einem Bereich von 2 bis 0,1, bevorzugt im Bereich von 0,7 bis 0,3, beispielsweise 0,5, aufweist. Dies ist zum Beispiel der Fall, wenn die Tiefe 15 µm und die Rastergröße 30 µm beträgt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens zur Herstellung eines Konversionselements umfasst das Verfahren ferner einen Schritt E) des Kalzinierens des Grünkörpers. Zum Beispiel wird ein Kalzinieren der Grünfolie und/oder des Grünfolienlaminats durchgeführt. Schritt E) wird nach Schritt C) und vor Schritt F) durchgeführt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird die Kalzinierung in Schritt E) bei einer Temperatur zwischen 700°C und 1200°C, wie beispielsweise 1000°C bis 1200°C, durchgeführt. Die Kalzinierung kann für mindestens 10 min und höchstens 12 h durchgeführt werden, beispielsweise für mindestens 15 min und höchstens 2 h. Beispielsweise kann die Kalzinierung bei 1150°C für 30 min durchgeführt werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird Schritt E) in einer sauerstoffumfassenden Atmosphäre, bevorzugt in Luft, durchgeführt.
Während Schritt E) werden Reste des Bindemittels und des Lösungsmittels aus dem Grünkörper entfernt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens zur Herstellung eines Konversionselements umfasst das Verfahren ferner einen Schritt G) des Temperns des Sinterkörpers. Zum Beispiel wird ein Tempern der gesinterten Stanzplättchen durchgeführt. Schritt G) wird nach Schritt F) durchgeführt.
Schritt G) ermöglicht die Reduzierung von Defekten, die während des Sinterschritts F) ausgebildet worden sein können. Schritt G) ermöglicht es insbesondere, den Gehalt an Ce³⁺ im Konversionselement zu erhöhen. Auf diese Weise können die Eigenschaften des Konversionselements weiter verbessert werden. Es kann nämlich eine verbesserte Helligkeit und/oder eine gleichmäßigere Helligkeit erreicht werden.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens wird das Tempern in Schritt G) bei einer Temperatur zwischen 700°C und 1200°C, wie beispielsweise 1000°C bis 1200°C, durchgeführt. Das Tempern kann für mindestens 10 min und höchstens 12 h durchgeführt werden, beispielsweise für mindestens 15 min und höchstens 2 h. Beispielsweise kann das Tempern bei 1050°C für 60 min durchgeführt werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird Schritt G) in einer kontrollierten Gasatmosphäre durchgeführt, bevorzugt in einer Formiergasatmosphäre aus Stickstoff oder Argon mit Sauerstoff.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens zur Herstellung eines Konversionselements wird während oder nach Schritt A) kein weiteres Material zugegeben, das Aluminium umfasst - mit Ausnahme des einen oder der mehreren Vorläufermaterialien. Insbesondere wird kein zusätzliches ein- oder polykristallines Al₂O₃ zugegeben. Insbesondere wird kein Al₂O₃ zugegeben, das über die für die Bildung von LuAG erforderliche stöchiometrische Menge hinausgeht.
Wie oben erläutert, erfordert die Bildung von einkristallinem Al₂O₃ während des Verfahrens der vorliegenden Erfindung keine Zugabe von Al₂O₃, die über die für die Bildung von LuAG erforderliche stöchiometrische Menge hinausgeht.
Gemäß einer anderen Ausführungsform wird während des Verfahrensschritts A) und/oder des Verfahrensschritts B) polykristallines oder einkristallines Al₂O₃ zugegeben, das die für die Bildung von LuAG erforderliche stöchiometrische Menge an Al₂O₃ überschreitet. Auf diese Weise kann ein Konversionselement erreicht werden, das sowohl polykristallines als auch einkristallines Al₂O₃ umfasst, wobei zumindest ein Teil des einkristallinen Al₂O₃ durch Sintern bei einer Temperatur oberhalb von 1720°C gebildet wird. Durch die Zugabe von weiterem Al₂O₃ können die Wärmeleitfähigkeit und die Wärmeableitung weiter verbessert und eingestellt werden. Außerdem kann das zusätzliche Al₂O₃ in das Konversionselement eingebettet werden und hexagonale Mikroplättchen ausbilden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird während des Verfahrensschrittes A) und/oder des Verfahrensschrittes B) mikrokristallines Pulver aus Saphir zugegeben. Der Saphir kann in das Konversionselement eingebettet werden und kann hexagonale Mikroplättchen ausbilden.
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Konversionselement umfassend eine erste Phase und eine zweite Phase, wobei die erste Phase Lutetium, Aluminium, Sauerstoff und ein Seltenerdelement umfasst und die zweite Phase Al₂O₃-Einkristalle umfasst.
Das Konversionselement der vorliegenden Erfindung kann durch das hierin beschriebene Verfahren zur Herstellung eines Konversionselements hergestellt werden. Daher können Merkmale, die im Zusammenhang mit dem Verfahren zur Herstellung eines Konversionselements beschrieben sind, auch für das Konversionselement verwendet werden, und umgekehrt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die zweite Phase in das Konversionselement eingebettet. Sie ist insbesondere über das gesamte Konversionselement verteilt. Sie ist beispielsweise in die erste Phase eingebettet, die die Hauptphase des Konversionselements ist.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben beobachtet, dass Konversionselemente mit einer zweiten Phase, die Al₂O₃-Einkristalle umfasst oder daraus besteht, zu einer verbesserten Wärmeleitfähigkeit des Konversionselements führen. Darauf aufbauend kann eine verbesserte Wärmeableitung innerhalb des Konversionselements und eines das Konversionselement umfassenden lichtemittierenden Bauelements erreicht werden, was zu einer verbesserten optischen Leistungsfähigkeit führt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das Konversionselement ein keramisches Konversionselement.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das Konversionselement ein Plättchen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das Konversionselement ein keramisches Lumineszenz-Konversionselement.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die erste Phase Lu₃Al₅O₁₂:Ce als Lumineszenzmaterial. Ferner ist es möglich, dass die erste Phase Lu₃Al₅O₁₂:Ce umfasst, jedoch mit einem reduzierten Gehalt in Bezug auf einige Elemente wie beispielsweise Al.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Konversionselements sind die Al₂O₃-Einkristalle natürlich gewachsene, selbsteingebettete Einkristalle.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die Al₂O₃-Einkristalle gleichmäßig gleichmäßig über das Konversionselement verteilt. Zum Beispiel sind sie gleichmäßig in der ersten Phase verteilt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ragen zumindest einige der Al₂O₃-Einkristalle aus einer Oberfläche des Konversionselements heraus. Entsprechende Kristalle können zur Lichtstreuung und verbesserten Lichtauskopplung genutzt werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Konversionselements sind die Al₂O₃-Kristalle hexagonale Einkristalle.
Beispielsweise haben die Al₂O₃-Kristalle die Form von hexagonalen Mikroplättchen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Konversionselements haben die Al₂O₃-Einkristalle eine mittlere Kristallgröße zwischen 0,5 µm und 15 µm, wie beispielsweise 1 µm und 10 µm, bevorzugt zwischen 2 µm und 8 µm, noch bevorzugter zwischen 3 µm und 5 µm.
Für Kristalle, bei denen es sich um hexagonale Mikroplättchen mit einer hexagonalen Oberfläche handelt, kann der Begriff Kristallgröße hier und im Folgenden als Durchmesser eines Kreises verstanden werden, der die gleiche Oberfläche wie die hexagonale Oberfläche der hexagonalen Mikroplättchen aufweist.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben beobachtet, dass Konversionselemente, die Al₂O₃-Einkristalle in einem Bereich zwischen 0,5 und 15 µm, beispielsweise 1 und 10 µm und insbesondere zwischen 3 und 5 µm umfassen, eine hervorragende Wärmeleitfähigkeit und eine hervorragende Verteilung der Kristalle im Konversionselement aufweisen. Wird die Kristallgröße sehr klein, nimmt der Effekt der verbesserten Wärmeableitung ab. Wird die Kristallgröße zu groß, bilden sich Kristallcluster aus. In diesem Fall können Korngrenzen ausgebildet werden, die die Wärmeleitfähigkeit beeinträchtigen. Außerdem kann die Gesamtverteilung der Kristalle darunter leiden und es kommt zu einer unkontrollierten Clusterbildung.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Konversionselement zumindest eine Oberfläche mit einer Oberflächenstruktur auf, aus der die Al₂O₃-Einkristalle zumindest teilweise herausragen.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben beobachtet, dass Al₂O₃-Einkristalle als nicht absorbierende transparente Streuer mit unterschiedlichem Brechungsindex verwendet werden können. Auf diese Weise kann die Leistungsfähigkeit eines lichtemittierenden Bauelements, das das erfindungsgemäße Konversionselement verwendet, verbessert werden.
Das Strukturieren der Oberfläche führt zu einer vergrößerten Oberfläche und mehr Einkristalle ragen aus einer solchen vergrößerten Oberfläche heraus und führen so zu einer verbesserten Lichtstreuung und -extraktion.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Konversionselements umfasst die Oberflächenstruktur Furchen, die eine definierte Größe aufweisen.
Beispielsweise umfasst das Strukturieren der Oberfläche eine Vielzahl von Furchen, wie beispielsweise eine Vielzahl von parallelen, äquidistanten Furchen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die Oberflächenstruktur ein kariertes Oberflächenmuster. Das karierte Oberflächenmuster wird durch eine Vielzahl von Furchen ausgebildet.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt die durchschnittliche Tiefe der Furchen zwischen 5 µm und 50 µm, bevorzugt zwischen 10 µm und 40 µm, beispielsweise zwischen 10 µm bis 20 µm oder zwischen 30 µm und 50 µm.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform haben die Furchen eine mittlere Rastergröße zwischen 25 und 50 µm, beispielsweise von 25 bis 40 µm, wie beispielsweise 30 µm.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die Oberflächenstruktur eine Tiefe und eine Rastergröße auf, wobei das Verhältnis von Tiefe zu Rastergröße in einem Bereich von 2 bis 0,1, bevorzugt in einem Bereich von 0,7 bis 0,3, wie beispielsweise 0,5, liegt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das Konversionselement zusätzlich polykristallines Al₂O₃. Auf diese Weise kann die Wärmeleitfähigkeit weiter eingestellt werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird das Konversionselement mit dem Verfahren der vorliegenden Erfindung hergestellt.
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein lichtemittierendes Bauelement, umfassend ein Konversionselement gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei das lichtemittierende Bauelement ferner eine Primärlichtquelle, wie beispielsweise einen Halbleiterchip, umfasst, die dazu eingerichtet ist, im Betrieb des lichtemittierenden Bauelements Primärlicht zu emittieren, wobei das Konversionselement in einem Strahlengang der Primärlichtquelle angeordnet ist und das Konversionselement Primärstrahlung zumindest teilweise in Sekundärstrahlung konvertiert.
Das lichtemittierende Bauelement umfasst das erfindungsgemäße Konversionselement. Daher können Merkmale, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Konversionselement oder dem Verfahren zur Herstellung eines Konversionselements beschrieben sind, auch für das lichtemittierende Bauelement verwendet werden und umgekehrt.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben beobachtet, dass entsprechende lichtemittierende Bauelemente aufgrund der durch das erfindungsgemäße Konversionselement eingebrachten verbesserten Wärmeleitfähigkeit und Wärmeableitung eine verbesserte optische Leistungsfähigkeit aufweisen. Gemäß zumindest einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen lichtemittierenden Bauelements ist das Bauelement ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus lichtemittierenden Dioden (LEDs) und Bauelementen zur Lichtverstärkung durch stimulierte Emission von Strahlung (LASER).
Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform ist die LED eine Hochleistungs-LED.
Lichtemittierende Bauelemente, wie beispielsweise LEDs, Hochleistungs-LEDs und LASER, leiden oft unter einer ineffektiven Wärmeableitung. Herkömmliche Konversionselemente leiden oft unter geringen Wärmeleitfähigkeiten und führen somit zu erhöhten Temperaturen innerhalb der lichtemittierenden Bauelemente, was zu einer Abnahme der optischen Leistungsfähigkeit des Bauelements führen kann.
Im Gegensatz dazu führt die vorliegende Erfindung zu einer verbesserten optischen Leistungsfähigkeit aufgrund einer effektiven Wärmeableitung.
Das hierin beschriebene Verfahren, das Konversionselement und das lichtemittierende Bauelement werden im Folgenden unter Bezugnahme auf Ausführungsbeispiele und die zugehörigen Figuren näher erläutert, in denen:

1 rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen zur Darstellung der Oberflächenmorphologie von Konversionselementen gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung und Referenzbeispielen zeigt.
Die 2A bis 2D rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen bei verschiedenen Vergrößerungen eines Konversionselements gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen.
Die 3 und 4A bis 4D Bilder von Elementkartierungen zur Veranschaulichung des Ergebnisses einer energiedispersiven Röntgenanalyse (EDX) zur Bestimmung der Zusammensetzung der Sekundärphase des Konversionselements sind.
5 eine Tabelle ist, die EDX-Daten der Zusammensetzung eines Konversionselements gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zusammenfasst.
6 ein Diagramm der optischen Leistungsfähigkeit, d.h. der Konversionsquanteneffizienz (CQE) in Lumen pro Watt [lm/W], gegen Farbkoordinaten ist, das experimentelle Daten für Konversionselemente in Abhängigkeit von der Sintertemperatur und der Oberflächenstruktur zusammenfasst.
7 ein lichtemittierendes Bauelement veranschaulicht, das ein Konversionselement gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst.

Gleiche oder ähnliche bzw. gleich wirkende Elemente sind in den Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die Figuren sind jeweils schematische Ansichten und daher nicht unbedingt maßstabsgetreu. Vielmehr können zur Verdeutlichung vergleichsweise kleine Elemente, insbesondere Schichtdicken, übergroß dargestellt sein.
1 zeigt rasterelektronenmikroskopische (REM-)Aufnahmen von Konversionselementen nach dem Sintern. Die Konversionselemente haben die Form von Plättchen. Die Bilder der ersten Reihe der 1 zeigen Referenz-Konversionselemente, die bei einer Temperatur von 1720°C gesintert wurden. Die Bilder der zweiten Reihe der 1 zeigen Konversionselemente gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die bei einer Temperatur von 1750°C gesintert wurden. Darüber hinaus zeigen die Bilder der dritten Reihe der 1 Konversionselemente gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die bei 1780°C gesintert wurden. Die Bilder der ersten drei Spalten, d.h. Spalte A, B und C, zeigen Konversionselemente, die eine Oberfläche mit einer Oberflächenstruktur aufweisen. Die Oberflächenstruktur umfasst Furchen mit einer definierten Tiefe. Im Gegensatz dazu zeigt Spalte D Konversionselemente, wobei die Oberfläche nicht strukturiert ist. Das Strukturieren der Oberfläche wurde mittels LASER-Ätzen durchgeführt. Die Konversionselemente wurden wie im Folgenden beschrieben hergestellt:
Alle Konversionselemente wurden aus den gleichen Vorläufermaterialien hergestellt, d.h. Lu₂O₃, Al₂O₃ und CeO₂, die in stöchiometrischer Menge bereitgestellt wurden, um Lu₃Al₅O₁₂:Ce (mit einem Ce-Gehalt von 0,5 at.%) zu erhalten. Die Pulver der Vorläufermaterialien wurden mit einem PVA-basierten Bindemittel und Wasser in einem entsprechenden Anteil vermischt und wurden weiter für einige Tage durch Kugelmahlen gemischt und homogenisiert, um eine Aufschlämmung zu erhalten. Die so entstandene Aufschlämmung wurde auf eine PET-Folie bandgegossen. Es wurde eine Grünfolie mit einer Dicke von ca. 40 µm. erhalten und getrocknet. Im nächsten Schritt wurde die Grünfolie von der PET-Folie delaminiert und in Teile vorbestimmter Größe geschnitten (beispielsweise mit einer Größe von ca. 2 bis 4 Quadratzoll und einer Dicke von 40 µm). Danach werden die Teile mehrlagig laminiert, d.h. sie werden übereinander angeordnet. Auf diese Weise wird ein GrünfolienLaminat ausgebildet. Im vorliegenden Fall wurden 6 Lagen übereinander angeordnet, um ein Grünfolienlaminat mit einer Dicke von ca. 240 µm zu erhalten. Die Grünfolie wurde dann zu Plättchen mit einer Größe von 2 Quadratmillimetern gestanzt und bei 1150°C für 30 min kalziniert, um Bindemittel zu entfernen. Die kalzinierten Plättchen wurden dann bei 1720°C, 1750°C und 1780°C für 2 Stunden in einer feuchten H₂-Atmosphäre gesintert. Nach dem Sintern erfolgt ein Tempern in einer Formiergasatmosphäre bei 1050°C für 60 min. Während des Kalzinierens, Sinterns und Temperns nimmt die Dicke der Plättchen von ca. 240 µm auf ca. 150 µm ab. Bei den in den Bildern der Spalten A, B und C gezeigten Konversionselementen wurde vor dem Sintern ein Strukturieren der Oberflächen mittels LASER-Ätzen durchgeführt. Es wurden Konversionselemente mit Oberflächenstrukturen hergestellt, die Furchen mit einer mittleren Tiefe von 10 µm, 20 µm, 30 µm und 40 µm umfassen. Die charakteristische Oberflächenstruktur ist für die verschiedenen Konversionselemente in den Bildern der Spalte A zu sehen, die die Konversionselemente in einer vergleichsweise geringen Vergrößerung zeigen (eine Seitenansicht der Oberflächenstruktur ist im ersten Bild der Spalte B zu sehen). Bilder mit höherer Vergrößerung sind in Spalte C zu sehen. Die Bilder des Referenzbeispiels, wobei das Sintern bei 1720°C durchgeführt wurde, zeigen deutlich, dass keine sichtbare Bildung einer zweiten Phase von Al₂O₃-Einkristallen zu beobachten ist. Im Gegensatz dazu bildet sich bei 1750°C eine signifikante Menge an Al₂O₃-Einkristallen aus. Noch größere Al₂O₃-Einkristalle werden bei 1780°C ausgebildet. Bei Temperaturen ab 1780°C neigen die Einkristalle zur Ausbildung von Clustern. Dies wird auch durch die letzte Figur der Spalte B bestätigt. In diesem Bild sind mehrere Cluster zu beobachten. Im Gegensatz dazu wird bei einer Temperatur von 1750°C keine Clusterbildung beobachtet, sondern die erhaltenen Al₂O₃-Einkristalle sind gut im Konversionselement und an der Oberfläche des Konversionselementes verteilt (Bild in der Mitte der Reihe B). Der Vergleich der Konversionselemente mit strukturierter Oberfläche (Spalten A, B, C) mit Konversionselementen ohne strukturierte Oberfläche (Spalte D) zeigt ferner, dass die Verteilung der Al₂O₃-Einkristalle bei Strukturierung der Oberfläche vor dem Sintern deutlich verbessert wird. Spalte D zeigt ferner, dass bei Temperaturen von ca. 1750°C die beste Verteilung der Kristalle erreicht wird, auch wenn keine Strukturierung der Oberfläche vorgenommen wird.
Die 2A bis 2D zeigen rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen eines Konversionselementes, das eine Oberflächenstruktur mit parallelen äquidistanten Furchen aufweist. Die Furchen schneiden sich gegenseitig, so dass sich eine karierte Oberflächenstruktur ergibt. Das Konversionselement wurde bei einer Temperatur von 1750°C gesintert. Alle REM-Bilder der 2A bis 2D wurden im BSD-Modus (Rückstreuelektronendetektor) bei einer Beschleunigungsspannung von 10 kV aufgenommen. 2A wurde mit einer 2500-fachen Vergrößerung, 2B mit einer 3900-fachen Vergrößerung, 2C mit einer 4000-fachen Vergrößerung und 2D mit einer 7800-fachen Vergrößerung aufgenommen. Wie aus den REM-Aufnahmen mit geringerer Vergrößerung ersichtlich ist, ergibt sich durch das Strukturieren der Oberfläche eine hervorragende Verteilung der Al₂O₃-Einkristalle. Die Al₂O₃-Kristalle können leicht als dunkle Kristalle identifiziert werden. Die REM-Aufnahmen mit höherer Vergrößerung zeigen deutlich, dass die Al₂O₃-Einkristalle die Form von hexagonalen Mikroplättchen haben.
Die 3 und 4A bis 4D sind Bilder von Elementkartierungen zur Veranschaulichung des Ergebnisses einer energiedispersiven Röntgenanalyse (EDX) zur Bestimmung der Zusammensetzung der Sekundärphase des Konversionselements.
3 - die mit 4A identisch ist - zeigt nämlich denselben Bereich eines Konversionselements wie 2D. In 3 sind insbesondere die Elemente Aluminium (Al) und Lutetium (Lu) dargestellt. Für die Elemente Sauerstoff (O), Aluminium (Al) und Lutetium (Lu) ist in den 4B bis 4D eine individuelle Elementkartierung für den gleichen Bereich des Konversionselements dargestellt. Die EDX-Analyse veranschaulicht, dass das mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Konversionselement eine erste Phase auf Basis von LuAG:Ce und eine zweite Phase mit Al₂O₃-Einkristallen umfasst.
Es ist nämlich deutlich zu erkennen, dass die dunkle zweite Phase, d.h. die Einkristalle in Form von hexagonalen Mikroplättchen, Al und O, aber kein Lu umfassen, was die Bildung von Al₂O₃-Einkristallen bestätigt. Im Gegensatz dazu umfasst die erste Phase auch Lu.
5 fasst einige EDX-Daten zusammen, die von Konversionselementen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erhalten wurden, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wurden.
6 ist ein Diagramm der optischen Leistungsfähigkeit, d.h. der Konversionsquanteneffizienz, gemessen in Lumen pro Watt (lm/W) gegen die Farbkoordinaten. Die Messungen wurden für Konversionselemente durchgeführt, die bei Sintertemperaturen von 1720°C, 1750°C und 1780°C hergestellt wurden. Die Messungen wurden an Konversionselementen ohne Strukturierung der Oberfläche und an Konversionselementen mit einer Oberflächenstruktur, die Furchen mit einer Tiefe von 10µm, 20µm, 30µm und 40µm umfasst, durchgeführt. Jeder im Diagramm der 6 dargestellte Datenpunkt basiert auf mindestens 5 und höchstens 20 Messungen. Wie aus dem Diagramm deutlich zu erkennen ist, kann eine signifikante Verbesserung der Quanteneffizienz in lm/W für Konversionselemente beobachtet werden, die bei einer Temperatur über 1720°C gesintert wurden. Das beste Ergebnis in Bezug auf die Konversionsquanteneffizienz wurde bei einer Sintertemperatur von 1780°C in Kombination mit einer Furchentiefe von 10 µm erzielt. Generell wurde jedoch die beste Gesamtleistungsfähigkeit in Bezug auf Wirkungsgrad und Farbkoordinaten bei Sintertemperaturen von 1750°C erzielt.
Konversionselemente mit einer Oberflächenstruktur zeigten eine verbesserte Leistungsfähigkeit im Vergleich zu Konversionselementen ohne Oberflächenstruktur. Mit Furchentiefen von 10 bis 20 µm lassen sich sowohl eine gute optische Leistungsfähigkeit als auch eine hohe Stabilität des resultierenden Konversionselements erzielen.
7 ist eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines lichtemittierenden Bauelements gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das dargestellte lichtemittierende Bauelement (1) ist eine LED mit einem Substrat (5), einem Halbleiterchip (2), einem Konversionselement gemäß der vorliegenden Erfindung (3), elektrischen Kontakten (4), (6) und Bonddrähten (7). Der Halbleiterchip (2) ist dazu eingerichtet, im Betrieb UV-Licht und/oder blaues Licht zu emittieren (Primärstrahlung). Das Konversionselement ist in einem Strahlengang des Halbleiterchips angeordnet und konvertiert zumindest teilweise Primärstrahlung, wie sie vom Halbleiterchip emittiert wird, in Sekundärstrahlung mit einer längeren Wellenlänge. Das Konversionselement kann zumindest eine strukturierte Oberfläche aufweisen.
Die vorliegende Patentanmeldung beansprucht die Priorität der US-Patentanmeldung 16/101,270 , deren Offenbarung hiermit durch Bezugnahme aufgenommen wird.
Die unter Bezugnahme auf Ausführungsbeispiele gemachte Beschreibung beschränkt die Erfindung nicht auf diese Ausführungsformen. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neuartige Merkmal und jede Merkmalskombination, insbesondere auch jede Merkmalskombination in den Ansprüchen, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination in den Ansprüchen oder Ausführungsbeispielen selbst nicht ausdrücklich angegeben ist.
Bezugszeichenliste

1: lichtemittierendes Bauelement
2: Halbleiterchip
3: Konversionselement
4,6: elektrische Kontakte
5: Substrat
7: Bonddraht

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 16101270 [0130]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Konversionselements (3), umfassend: A) Bereitstellen eines oder mehrerer Vorläufermaterialien, die Lutetium, Aluminium und ein Seltenerdelement umfassen, B) Mischen des einen oder der mehreren Vorläufermaterialien mit einem Bindemittel und einem Lösungsmittel, so dass eine Aufschlämmung erhalten wird, C) Ausbilden eines Grünkörpers aus der Aufschlämmung aus Schritt B) F) Sintern des Grünkörpers, um das Konversionselement (3) zu erhalten, wobei das Sintern bei einer Temperatur von mehr als 1720°C durchgeführt wird.
Verfahren gemäß dem vorhergehenden Anspruch, wobei das Sintern bei einer Temperatur von mehr als 1720°C und weniger als 1780°C durchgeführt wird.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei Schritt A) das Bereitstellen eines ersten Vorläufermaterials, das Lutetium umfasst, eines zweiten Vorläufermaterials, das Aluminium umfasst, und eines dritten Vorläufermaterials, das ein Seltenerdelement umfasst, umfasst.
Verfahren gemäß dem vorhergehenden Anspruch, wobei das erste Vorläufermaterial Lu₂O₃ ist, das zweite Vorläufermaterial Al₂O₃ ist und das dritte Vorläufermaterial CeO₂ ist.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in Schritt B) das Mischen durch Kugelmahlen erfolgt.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Grünkörper in Schritt C) eine Grünfolie umfasst und die Grünfolie in Schritt C) aus der Aufschlämmung aus Schritt B) über Bandgießen ausgebildet wird.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend das Strukturieren einer Oberfläche des Grünkörpers vor Schritt F).
Verfahren gemäß dem vorhergehenden Anspruch, wobei das Strukturieren die Ausbildung von Furchen mit einer definierten Tiefe umfasst, wobei die Tiefe zwischen 10 µm und 40 µm liegt.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei nach Schritt A) kein weiteres Material, das Aluminium umfasst, zugegeben wird.
Konversionselement (3), umfassend eine erste Phase und eine zweite Phase, wobei die erste Phase Lutetium, Aluminium, Sauerstoff und ein Seltenerdelement umfasst und die zweite Phase Al₂O₃-Einkristalle umfasst.
Konversionselement (3) gemäß Anspruch 10, wobei die erste Phase Lu₃Al₅O₁₂:Ce umfasst.
Konversionselement (3) gemäß Anspruch 10 oder 11, wobei die Al₂O₃-Einkristalle hexagonale Einkristalle sind.
Konversionselement (3) gemäß einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei die Al₂O₃-Einkristalle eine mittlere Kristallgröße zwischen 1 µm und 10 µm aufweisen.
Konversionselement (3) gemäß einem der Ansprüche 10 bis 13, wobei das Konversionselement (3) eine Oberflächenstruktur aufweist und die Al₂O₃-Einkristalle zumindest teilweise aus dieser Oberflächenstruktur herausragen.
Konversionselement (3) gemäß Anspruch 14, wobei die Oberflächenstruktur eine Tiefe zwischen 10 µm und 40 µm aufweist.
Konversionselement (3) nach einem der Ansprüche 10 bis 15, hergestellt mit einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9.
Lichtemittierendes Bauelement (1), umfassend ein Konversionselement (3) gemäß einem der Ansprüche 10 bis 15, wobei das lichtemittierende Bauelement (1) ferner eine Primärlichtquelle aufweist, die dazu eingerichtet ist, im Betrieb des lichtemittierenden Bauelements Primärlicht zu emittieren, wobei das Konversionselement (3) in einem Strahlengang der Primärlichtquelle angeordnet ist und das Konversionselement (3) Primärstrahlung zumindest teilweise in Sekundärstrahlung konvertiert.
Lichtemittierendes Bauelement (1) gemäß Anspruch 17, wobei das Bauelement aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus lichtemittierenden Dioden (LEDs) und Bauelementen zur Lichtverstärkung durch stimulierte Emission von Strahlung (LASER) besteht.