DE112020000701T5

DE112020000701T5 - Dielektrische filmbeschichtung für keramische vollkonversionsplättchen

Info

Publication number: DE112020000701T5
Application number: DE112020000701.4T
Authority: DE
Inventors: Yi Zheng; Dominik Eisert; Georg Roßbach
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2019-02-06
Filing date: 2020-02-05
Publication date: 2021-10-21
Also published as: US20200251621A1; US20220140204A1; US10903398B2; WO2020161164A1; CN113383434A; US20230187589A9

Abstract

Zusammenfassung: Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wellenlängenkonverter, umfassend: eine Leuchtstoffschicht und - eine Filterschicht, wobei die Filterschicht direkt an der Leuchtstoffschicht angebracht ist und wobei der Wellenlängenkonverter eine Gesamtdicke zwischen 20 µm bis 80 µm aufweist. Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin eine lichtemittierende Vorrichtungsanordnung und Verfahren zur Herstellung eines Wellenlängenkonverters und Verfahren zur Herstellung einer lichtemittierenden Vorrichtungsanordnung.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Wellenlängenkonverter, lichtemittierende Vorrichtungsanordnungen und Verfahren zur Herstellung von Wellenlängenkonvertern und lichtemittierenden Vorrichtungen.
HINTERGRUND
Im Stand der Technik existieren mehrere Ausführungsformen von Leuchtstoff-Wellenlängenkonvertern. Oft werden keramische Leuchtstoffmaterialien zur Umwandlung von Licht einer bestimmten Wellenlänge in eine bestimmte zusätzliche Wellenlänge verwendet. Einige der keramischen Leuchtstoffmaterialien weisen allerdings eine Streuung auf.
Beispielsweise werden amberfarbene Keramiken mit der Zusammensetzung (Sr,Ba)₂Si₅N₈:Eu für Vollkonversions-LED-Anwendungen verwendet, wobei das blaue Licht aus einem blauen LED-Chip vollständig oder nahezu vollständig von einem amberfarbenen keramischen Plättchenkonverter auf der Oberseite des LED-Chips absorbiert und bei längeren Wellenlängen als amberfarbenes Licht wieder emittiert wird. Die Vollkonversions-Amber-LEDs besitzen ein breites Anwendungsspektrum, wie z. B. Blinker und Rücklichter im Automobil, Signallichter für Rettungsfahrzeuge und Verkehrssignallichter.
In der Vergangenheit konzentrierten sich die Bestrebungen zur Verbesserung der Effizienz von Amber-Keramik auf die Verbesserung der Verdichtung von Amber-Keramiken. Durch Verringern der Porosität wird der Anteil von Streuung aus Poren reduziert. Da die Kristallstruktur von (Sr,Ba)₂Si₅N₈:Eu jedoch nicht kubisch ist, existiert immer eine durch Doppelbrechung verursachte Korngrenzenstreuung. Auch ist es schwierig, eine Ba₁Si₇Nio-Sekundärphase vollständig loszuwerden, da die Streuung an den Sekundärphasen immer vorhanden ist. Es gibt also eine Grenze bei der Verbesserung des Wirkungsgrades durch Verringern der Porosität, da die Streuung an Korngrenze und Sekundärphasen nicht vermieden werden kann.
US-Patent Nr. 8,957,493 offenbart eine Leuchtdioden(LED)-Anordnung, die eine Schicht aus einem Wellenlängenkonverter und eine Filterschicht umfasst.
Oh et al., Optics Express 2010,18(11), 11063-11072 offenbaren eine Amber-Leuchtstoff-LED, die eine Filterschicht umfasst.
KURZDARSTELLUNG
Gegenstand der vorliegenden Erfindung besteht darin, die Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Wellenlängenkonverter bereitzustellen, der für LED-Anwendungen verwendet werden könnte.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Herstellen eines Wellenlängenkonverters und zum Bereitstellen einer lichtemittierenden Vorrichtung bereitzustellen.
Es ist ebenfalls ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung, einen Wellenlängenkonverter und eine lichtemittierende Vorrichtung bereitzustellen, die durch ein Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt werden.
Gemäß einem Gegenstand der vorliegenden Erfindung wird ein Wellenlängenkonverter bereitgestellt, umfassend:

eine Leuchtstoffschicht und
eine Filterschicht,

Gemäß einem weiteren Gegenstand der vorliegenden Erfindung wird eine lichtemittierende Vorrichtung bereitgestellt, umfassend:

einen LED-Chip, und
einen Wellenlängenkonverter umfassend:
- eine Leuchtstoffschicht und
- eine Filterschicht,

Gemäß einem weiteren Gegenstand der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Wellenlängenkonverters bereitgestellt, das die folgenden Schritte umfasst: Bereitstellen eines Glassubstrats oder eines Saphir-Wafers,
Beschichten des Glassubstrats oder des Saphir-Wafers mit einer Filterschicht, die verschiedene Metalloxide umfasst, um ein beschichtetes Glassubstrat oder einen beschichteten Saphir-Wafer herzustellen,
Bereitstellen eines Leuchtstoffmaterials, und
Anbringen des beschichteten Glassubstrats oder des beschichteten Saphir-Wafers an dem Leuchtstoffmaterial, wodurch ein Wellenlängenkonverter bereitgestellt wird,
wobei die Filterschicht direkt an der Leuchtstoffschicht angebracht ist und wobei der Wellenlängenkonverter eine Gesamtdicke zwischen etwa 20 µm und etwa 80 µm aufweist.
Gemäß einem weiteren Gegenstand der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung einer lichtemittierenden Vorrichtungsanordnung bereitgestellt, umfassend: Bereitstellen eines LED-Chips, der gegebenenfalls an einem Leadframe befestigt ist, Anbringen eines Wellenlängenkonverters, umfassend:

eine Leuchtstoffschicht und
eine Filterschicht

Gemäß einem weiteren Gegenstand der vorliegenden Erfindung wird ein Wellenlängenkonverter bereitgestellt, der durch ein Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wird.
Gemäß einem weiteren Gegenstand der vorliegenden Erfindung wird eine lichtemittierende Vorrichtung bereitgestellt, die nach einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wird.
Figurenliste
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Ausführungsbeispiele und unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren näher erläutert. Die Figuren sind skizzenhaft und stellen keine maßstabsgetreuen Abbildungen dar.

1 zeigt eine REM-Aufnahme der (Sr,Ba)₂Si₅N₈:Eu-Amber-Keramik (Sr,Ba)₂Si₅N₈:Eu;
2 zeigt die Lumenwerte von (Sr,Ba)₂Si₅N₈:Eu-Amber-Keramik-LEDs vs. Keramikplättchen-Dicke;
3 zeigt die Farbe von (Sr,Ba)₂Si₅N₈:Eu-Amber-Keramik-LEDs vs. Keramikdicke;
4 zeigt die Farbe von (Sr,Ba)₂Si₅N₈:Eu-Amber-Keramikplättchen mit verschiedenen Dicken, gemessen mit einem OSRAM-Tester;
5 zeigt den Reflexionsgrad einer Filterschicht gemäß Tabelle 1 und die Emission eines Amber-Plättchens vor und nach dem Beschichten;
6 zeigt die Farbe von (Sr,Ba)₂Si₅N₈:Eu-Amber-Keramikplättchen mit verschiedenen Dicken vor und nach dem Beschichten, gemessen mit dem OSRAM-Tester;
7 zeigt die Farbe von (Sr,Ba)₂Si₅N₈:Eu-beschichteten Amber-Keramikplättchen in einem LED-Paket;
8 zeigt die Lumenwerte von beschichteten Amber-Keramikplättchen in einem LED-Paket;
9 zeigt eine REM-Aufnahme eines Querschnitts einer Beschichtung auf einer Amber-Keramikplatte;
10 zeigt die Farbe von beschichteten Amber-Keramikplättchen mit unpolierten und polierten Oberflächen, getestet mit OSRAM-Testermessung;
11 zeigt eine Prinzipansicht einer Filterschicht auf einer transparenten Schicht auf einer Amber - Keramikplatte;
12 zeigt eine Prinzipansicht einer Filterschicht auf einer transparenten Schicht auf einer Amber-Keramik in einem LED-Paket;
13 zeigt ein beispielhaftes Verfahren zur Herstellung eines Wellenlängenkonverters;
14 zeigt ein beispielhaftes Verfahren zur Herstellung einer lichtemittierenden Vorrichtungsanordnung;
15 zeigt eine schematische Darstellung der Licht- und Wärmeübertragung in einem dicken Keramik;
16 zeigt eine schematische Darstellung der Licht- und Wärmeübertragung in einer dünnen Keramikmaterial;
17 zeigt die spektralen Reflexionseigenschaften der Filterschicht bei verschiedenen Einfallswinkeln;
18 zeigt die Farbe von (Sr,Ba)₂Si₅N₈:Eu-Amber-Keramik-LEDs aus verschiedenen Beobachtungswinkeln für (1) eine dünne Keramikschicht mit Filterschicht und (2) eine dicke Keramikschicht ohne Filter; und
19 zeigt beispielhafte Ausführungsformen von Wellenlängenkonvertern.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERLÄUTERNDEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung, zusammen mit anderen und weiteren Zielen, Vorteilen und Möglichkeiten davon, wird auf die folgende Offenlegung und die beigefügten Ansprüche in Verbindung mit den oben beschriebenen Zeichnungen Bezug genommen.
Bezugnahmen auf die Farbe des Leuchtstoffs, der LED oder des Konversionsmaterials beziehen sich im Allgemeinen auf seine Emissionsfarbe, sofern nicht anders angegeben. So emittiert eine blaue LED ein blaues Licht, ein gelber Leuchtstoff emittiert ein gelbes Licht und so weiter.
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wellenlängenkonverter umfassend:

eine Leuchtstoffschicht und
eine Filterschicht,

Wie hierin verwendet, ist ein Wellenlängenkonverter eine massive Struktur, die mindestens einen Teil des Lichts einer bestimmten ersten Wellenlänge in Licht einer bestimmten zweiten Wellenlänge umwandelt. In einer Ausführungsform handelt es sich bei Licht einer bestimmten ersten Wellenlänge um blaues Licht. Strukturen, die Licht einer ersten Wellenlänge erzeugen können, sind z. B. InGaN- oder GaN-Chips oder Festkörperlaserdioden.
Ein Leuchtstoff ist ein Material, das Licht einer bestimmten ersten Wellenlänge in Licht einer bestimmten zweiten Wellenlänge umwandelt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst der Wellenlängenkonverter eine Leuchtstoffschicht. Die Leuchtstoffschicht kann aus dem Leuchtstoff bestehen, oder alternativ ein Wirtsmaterial umfassen, in das der Leuchtstoff eingelagert ist. Im letzteren Fall kann der Leuchtstoff in ein keramisches Wirtsmaterial oder ein Glas-Wirtsmaterial eingelagert sein. Vorzugsweise sind die Wirtsmaterialien transparent für das einfallende Licht einer bestimmten ersten Wellenlänge. Die Leuchtstoffschicht kann auch eine keramische Leuchtstoffschicht sein.
Die Leuchtstoffschicht (z. B. die Keramische Leuchtstoffschicht) kann eine glatte, vorzugsweise eine polierte Oberfläche aufweisen.
Beispielhafte Leuchtstoffe sind Granate, Oxinitridosilikate, Perowskite, Quantenpunkte, Silikate oder Kombinationen davon, jeweils dotiert mit mindestens einem geeigneten Element.
In einer Ausführungsform ist der Leuchtstoff aus der Gruppe ausgewählt bestehend aus (Ba,Sr)₂Si₅N₈:Eu²⁺, Ca-α-SiAlON:Eu²⁺, YAG:Ce+CaAlSiN₃:Eu, (Ca,Sr)AlSiN₃:Eu²⁺, (Sr,Ca)Al₂Si₂N₆:Eu²⁺, (Ba,Sr,Ca)₂Si_sN₈:Eu²⁺ und Sr(LiAl₃N₄):Eu²⁺.
Der Leuchtstoff (z.B. der hierin erwähnte Leuchtstoff) kann mit einem keramischen Wirtsmaterial gemischt werden, das aus der Gruppe ausgewählt ist bestehend aus undotiertem (Ba,Sr)₂Si₅N₈:Eu²⁺, Ca-α-SiAlON oder AlN oder einem Glas-Wirtsmaterial bestehend aus Glas mit niedriger Schmelztemperatur, Boratsilikat oder Phosphatglas.
In bevorzugten Ausführungsformen ist die Leuchtstoffschicht eine Schicht aus (Ba,Sr,Ca)₂Si_sN₈:Eu²⁺, oder (Ba,Sr)₂Si₅N₈:Eu²⁺, d.h. eine Schicht aus Amber-Keramik. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Leuchtstoffschicht (Ba,Sr)₂Si₅N₈:Eu²⁺.
In einer alternativen Ausführungsform umfasst die Leuchtstoffschicht mindestens zwei verschiedene Leuchtstoffe, mindestens drei verschiedene Leuchtstoffe oder mindestens vier verschiedene Leuchtstoffe.
In einer Ausführungsform beträgt die bestimmte zweite Wellenlänge, d. h. die dominante Wellenlänge, die sich aus der Umwandlung der bestimmten ersten Wellenlänge ergibt, etwa 590 nm. Die Leuchtstoffe, die das Licht in diese Wellenlänge umwandeln könnten, sind z. B. (Ba,Sr)₂Si₅N₈:Eu²⁺, Ca-α-SiAlON:Eu²⁺ und YAG:Ce+CaAlSiN₃:Eu. Die Leuchtstoffe können als keramische Schicht vorhanden sein, oder sie können als Partikel in einem Wirtsmaterial, wie z. B. einer transparenten Keramik, Glas oder Silikon, vorhanden sein.
In einer alternativen Ausführungsform beträgt die bestimmte zweite Wellenlänge, d. h. die Wellenlänge, die aus der Umwandlung der bestimmten ersten Wellenlänge erhalten wird, etwa 610 nm bis etwa 630 nm. Die Leuchtstoffe, die das Licht in diese Wellenlänge umwandeln könnten, sind z.B. (Ca,Sr)AlSiN₃:Eu²⁺, (Sr,Ca)Al₂Si₂N₆:Eu²⁺, (Ba,Sr,Ca)₂Si_sN₈:Eu²⁺, Sr(LiAl₃N₄):Eu²⁺. Die Leuchtstoffe können als keramische Schicht vorhanden sein, oder sie können als Partikel in einem Wirtsmaterial, wie z. B. einer transparenten Keramik, Glas oder Silikon, vorhanden sein.
In einer alternativen Ausführungsform beträgt die bestimmte zweite Wellenlänge, d. h. die Wellenlänge, die aus der Umwandlung der bestimmten ersten Wellenlänge erhalten wird, mehr als etwa 700 nm. Die Leuchtstoffe, die das Licht in diese Wellenlänge umwandeln könnten, sind z.B. Cr^3+/4+-, Ni²⁺-, Bi-, Yb-, Tm-, Er- etc., dotierte Wirtskristalle und Gläser (z.B. La₃Ga₅GeO₁₄, Ga₂O₃, Gd₃Ga₃Sc₂O₁₂, Mg₂SiO₄, usw.). Die Leuchtstoffe können als Partikel in einem Wirtsmaterial, wie z. B. einer transparenten Keramik, Glas oder Silikon, vorhanden sein.
Die Leuchtstoffschicht hat vorzugsweise eine formähnliche Struktur. Die Dicke der Leuchtstoffschicht, d.h. die Länge der Leuchtstoffschicht, durch die das Licht in einem 90°-Winkel zur emittierenden Quellfläche des Lichts der bestimmten ersten Wellenlänge hindurchtritt, liegt z.B. zwischen 420 bis 465 nm, vorzugsweise 445 bis 455 nm.
In einer Ausführungsform ist mehr als eine Leuchtstoffschicht vorhanden, z.B. sind 2 Schichten, 3 Schichten oder mehrere Schichten vorhanden.
Der Wellenlängenkonverter umfasst ferner eine Filterschicht auf der Oberseite. Die Filterschicht reflektiert nicht absorbiertes Anregungslicht einer bestimmten ersten Wellenlänge, das z. B. von einem LED-Chip emittiert wird. Die Leuchtstoffschicht absorbiert mindestens einen Teil des Lichts der bestimmten ersten Wellenlänge und wandelt es in eine bestimmte zweite Wellenlänge um und die Filterschicht reflektiert das nicht absorbierte Licht einer bestimmten ersten Wellenlänge, während das Licht der bestimmten zweiten Wellenlänge durchgelassen wird.
Die Filterschicht ist direkt an der Leuchtstoffschicht angebracht. „Direkt angebracht“ bedeutet im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung, dass mindestens eine Kontaktstelle zwischen der Leuchtstoffschicht und der Filterschicht vorhanden ist. In einer bevorzugten Ausführungsform ist mindestens eine Oberfläche der Leuchtstoffschicht mit der Filterschicht bedeckt.
Die Filterschicht der vorliegenden Erfindung kann eine Multischicht aus alternativen Oxiden sein. Der Filter kann durch Dampf- oder Sputter-Abscheidung dieser Oxidschichten auf einem Substrat hergestellt werden. Das Substrat kann eine Leuchtstoffschicht sein, z. B. in Form eines Keramikmaterials. In diesem Fall ist vorzugsweise kein Klebstoff zwischen der Leuchtstoffschicht und der Filterschicht vorhanden. Alternativ kann das Substrat auch eine dünne Glas- oder Saphirschicht sein. In diesem Fall ist das beschichtete Glas (oder Saphir) die Filterschicht. Die Filterschicht ist vorzugsweise auf die Leuchtstoffschicht aufgeklebt.
In einer Ausführungsform umfasst die Filterschicht mindestens zwei Metalloxide. Die Metalloxide der Filterschicht können in einer Schicht vorhanden sein. In einem alternativen Aspekt dieser Ausführungsform umfasst die Filterschicht mehrere Teilschichten. Jede der Teilschichten kann mindestens ein Metalloxid umfassen.
Die Filterschicht könnte ein dichroitischer Filter sein. Ein dichroitischer Filter, Dünnschichtfilter oder Interferenzfilter ist ein sehr genauer Farbfilter, der dazu verwendet wird, Licht eines kleinen Farbbereichs selektiv durchzulassen, während andere Farben reflektiert werden.
In einem dichroitischen Spiegel oder Filter werden auf einem Glassubstrat abwechselnde Schichten aus optischen Beschichtungen mit unterschiedlichen Brechungsindizes aufgebaut. Die Grenzflächen zwischen den Schichten mit unterschiedlichem Brechungsindex erzeugen phasenverschobene Reflexionen, die bestimmte Wellenlängen des Lichts selektiv verstärken und andere Wellenlängen überlagern. Die Schichten werden in der Regel durch Vakuumabscheidung aufgebracht. Durch die Steuerung der Dicke und Anzahl der Schichten kann die Wellenlänge des Passbands des Filters abgestimmt und so breit oder schmal wie gewünscht gemacht werden. Da unerwünschte Wellenlängen reflektiert und nicht absorbiert werden, absorbieren dichroitische Filter diese unerwünschte Energie während des Betriebs nicht und werden daher nicht annähernd so heiß wie der gleichwertige herkömmliche Filter (der versucht, sämtliche Energie mit Ausnahme derjenigen im Passband) zu absorbieren.
Die Filterschicht kann z. B. zwei Teilschichten umfassen, die jeweils ein anderes Metalloxid umfassen. Vorzugsweise haben die Metalloxide unterschiedliche Brechungsindizes. In einer alternativen Ausführungsform umfasst die Filterschicht drei oder mehrere Teilschichten, die jeweils ein anderes oder dasselbe Metalloxid umfassen, wobei vorzugsweise Teilschichten desselben Metalloxids nicht aneinander angebracht sind. Daher kann die Filterschicht n Teilschichten und bis zu n verschiedene Metalloxide umfassen. In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Filter zwei Metalloxide, eines mit einem hohen Brechungsindex und eines mit einem niedrigen Brechungsindex.
In einer Ausführungsform umfasst die Filterschicht 13 bis 19 Teilschichten. In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Filterschicht 15 bis 18 Teilschichten. In einer noch mehr bevorzugten Ausführungsform umfasst die Filterschicht 16 oder 17 Teilschichten. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst die Filterschicht 17 Teilschichten.
Die Metalloxide der Filterschicht können ausgewählt sein aus SiO₂, Al₂O₃, TiO₂, Nb₂O₅, Ta₂O₅, HfO₂ und Y₂O₃. Bevorzugte Metalloxide sind Paare aus Al₂O₃-TiO₂ oder SiO₂-Nb₂O₅.
Dichroitische Filter benötigen normalerweise zwei Oxide mit einem kontrastierenden Brechungsindex, wobei eines einen hohen Brechungsindex, H, und das andere einen niedrigen Brechungsindex, L, aufweist. Der Filter umfasst vorzugsweise alternierende H-, L-Schichten mit unterschiedlichen Dicken, wie z. B. H, L, H, L, H, L, H, L usw.
In einer Ausführungsform umfasst die Filterschicht 17 Teilschichten und zwei verschiedene Metalloxide, wie z. B. alternierende Teilschichten aus Al₂O₃ und TiO₂.
Die Filterschicht hat vorzugsweise eine formähnliche Struktur. Die Dicke der Filterschicht, d.h. die Länge der Filterschicht, die das Licht in einem 90°-Winkel zur emittierenden Quellfläche durchläuft, beträgt für das Licht der bestimmten ersten Wellenlänge z. B. zwischen 420 bis 465 nm, vorzugsweise 445 bis 455 nm.
Die Teilschichten der Filterschicht können jeweils eine Dicke zwischen etwa 20 nm und etwa 150 nm aufweisen. In einer Ausführungsform haben die Teilschichten jeweils eine Dicke zwischen etwa 30 nm bis etwa 40 nm.
Die Dicke der Filterschicht ist vorzugsweise auf die Wellenlänge λ bezogen. Die Dicke beträgt ein Vielfaches von 1/2λ. Bei der vorliegenden Erfindung sollte ein hoher Reflexionsgrad bei einer Wellenlänge unterhalb der Ausschluss-Wellenlänge, wie z. B. unterhalb von 535 nm, im blauen Anregungslicht und eine hohe Durchlässigkeit oberhalb der Ausschluss-Wellenlänge in der Amber-Leuchtstoff-Emissionsregion erreicht werden.
Der Wellenlängenkonverter kann ferner eine Absorptionsschicht über dem Filter umfassen. Die Absorptionsschicht absorbiert vorzugsweise Licht von Wellenlängen, die die zu emittierende Filterschicht passieren sollen.
Beispiele für Absorptionsschichten sind Schichten aus ionendotierten Farbfiltergläsern, umfassend MoS₂-gefärbte Gläser, Ce-dotiertes Gallium-Gadolinium-YAG, oder sind aus Halbleitermaterialien ausgewählt, wie GaP, AlP, AlAs, CdSe, CdS in Form von dünnen Schichten oder Nanopartikeln.
Die Absorptionsschicht ist vorzugsweise an der Filterschicht angebracht. Die Absorptionsschicht kann mit einem Klebstoff an der Filterschicht angebracht sein oder durch natürliche Absorptionskräfte an der Filterschicht angebracht sein.
Die Filterschicht weist vorzugsweise eine formartige Struktur auf. Die Dicke der Filterschicht, d.h. die Länge der Filterschicht, durch die das Licht in einem 90°-Winkel zur emittierenden Quellfläche des Lichts der bestimmten ersten Wellenlänge hindurchtritt, liegt z.B. zwischen ca. 420 nm bis ca. 465 nm, vorzugsweise zwischen ca. 445 nm bis 455 nm.
Der Wellenlängenkonverter hat eine Gesamtdicke zwischen etwa 20 µm bis etwa 80 µm. In einer Ausführungsform hat der Wellenlängenkonverter eine Dicke zwischen etwa 40 µm und etwa 70 µm. In einer bevorzugten Ausführungsform hat der Wellenlängenkonverter eine Dicke zwischen ca. 40 µm und ca. 50 um. Die Dicke des Wellenlängenkonverters ist die Länge des Wellenlängenkonverters, die das Licht in einem 90°-Winkel zu der emittierenden Quellfläche des Lichts der bestimmten ersten Wellenlänge durchläuft.
Es ist ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung, eine lichtemittierende Vorrichtungsanordnung bereitzustellen, umfassend:

einen LED-Chip, und
einen Wellenlängenkonverter, umfassend:
- eine Leuchtstoffschicht, und
- eine Filterschicht,

Der LED-Chip emittiert vorzugsweise blaues Licht. In einer alternativen Ausführungsform emittiert der LED-Chip UV-Licht. Beispiele für LED-Chips sind GaN/InGaN-basierte Halbleitermaterialien.
Der Wellenlängenkonverter, die Leuchtstoffschicht und die Filterschicht entsprechen jeweils den Einrichtungen wie oben beschrieben.
Es ist ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines Wellenlängenkonverters bereitzustellen, umfassend die Schritte:

Bereitstellen eines Glassubstrats oder eines Saphir-Wafers,
Beschichten des Glassubstrats oder des Saphir-Wafers mit einer Filterschicht, die verschiedene Metalloxide umfasst, um ein beschichtetes Glassubstrat oder einen beschichteten Saphir-Wafer herzustellen, Bereitstellen eines Leuchtstoffs, und
Anbringen des beschichteten Glassubstrats oder des beschichteten Saphir-Wafers an dem Leuchtstoff, wodurch ein Wellenlängenkonverter bereitgestellt wird,

In einem Schritt des Verfahrens zur Herstellung eines Wellenlängenkonverters wird ein Glassubstrat oder ein Saphir-Wafer bereitgestellt. Das Glassubstrat oder der Saphir-Wafer ist vorzugsweise transparent und damit besonders durchlässig für Wellenlängen, die aus dem Wellenlängenkonverter emittiert werden sollen.
Das Glassubstrat bzw. der Saphir-Wafer kann eine Dicke von etwa 40 bis etwa 200 µm aufweisen. In einer Ausführungsform kann das Glassubstrat oder der Saphir-Wafer eine Dicke zwischen etwa 40 und etwa 100 µm aufweisen.
In einem weiteren Schritt wird das Glassubstrat oder der Saphir-Wafer mit mindestens zwei Schichten von Metalloxiden beschichtet, um ein beschichtetes Glassubstrat oder einen beschichteten Saphir-Wafer bereitzustellen. Die Beschichtung erfolgt vorzugsweise durch Abscheiden eines Paares von Al₂O₃-TiO₂ oder SiO₂-Nb₂O₅-Oxiden, es können jedoch auch andere Metalloxide auf dem Glassubstrat oder dem Saphir-Wafer abgeschieden werden.
In einer Ausführungsform wird die Beschichtung schrittweise durchgeführt. Somit wird die erste Schicht aus mindestens einem Metalloxid auf das Glassubstrat oder den Saphir-Wafer aufgebracht. In einem anschließenden Schritt wird eine zweite Schicht aus mindestens einem Metalloxid auf die erste Schicht aus mindestens einem Metalloxid aus Glas aufgebracht.
Weitere Schichten, falls vorhanden, werden entsprechend eingebracht. Als optionaler Schritt ist ein Trocknungsschritt zwischen den Beschichtungsschritten oder zumindest nach dem letzten Beschichtungsschritt vorhanden. Das Beschichten kann durch Aufdampfen oder Sputtern durchgeführt werden.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung entsprechen die Schichten der Metalloxide den hierin genannten Teilschichten der Filterschicht und die Summe aller auf das Glassubstrat oder den Saphir-Wafer aufgebrachten Schichten aus Metalloxiden entspricht der hierin genannten Filterschicht.
In einer Ausführungsform sind die Metalloxide ausgewählt aus SiO₂, Al₂O₃, TiO₂, Nb₂O₅, Ta₂O₅, HfO₂ und Y₂O₃. Bevorzugte Metalloxide sind Oxidpaare aus Al₂O₃-TiO₂ oder SiO₂-Nb₂O₅.
In einer Ausführungsform sind 17 Schichten von Metalloxiden auf dem Glassubstrat oder dem Saphir-Wafer aufgebracht und die Metalloxide sind Al₂O₃ und TiO₂.
In einem weiteren Schritt wird ein Leuchtstoff bereitgestellt. Beispielhafte Leuchtstoffe sind Granate, Oxinitridosilikate, Perowskite, Quantenpunkte, Silikate oder Kombinationen davon, jeweils dotiert mit mindestens einem geeigneten Element.
In einer Ausführungsform ist der Leuchtstoff aus der Gruppe ausgewählt bestehend aus (Ba,Sr)₂Si₅N₈:Eu²⁺, Ca-α-SiAlON:Eu²⁺, YAG:Ce+CaAlSiN3:Eu, (Ca,Sr)AlSiN₃:Eu²⁺, (Sr,Ca)Al₂Si₂N₆:Eu²⁺, (Ba,Sr,Ca)₂Si_sN₈:Eu²⁺ und Sr(LiAl₃N₄):Eu²⁺.
Der Leuchtstoff (z.B. der hierin erwähnte Leuchtstoff) kann mit einem keramischen Wirtsmaterial gemischt werden, das aus der Gruppe ausgewählt ist bestehend aus undotiertem (Ba,Sr)₂Si₅N₈:Eu²⁺, Ca-α-SiAlON oder AlN oder einem Glaswirtsmaterial bestehend aus Glas mit niedriger Schmelztemperatur, Boratsilikat oder Phosphatglas.
In bevorzugten Ausführungsformen ist das Leuchtstoffmaterial eine Schicht aus (Ba,Sr)₂Si₅N₈:Eu²⁺ oder (Ba,Sr)₂Si₅N₈:Eu²⁺, d.h. eine Schicht aus Amber-Keramik. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Leuchtstoff (Ba,Sr)₂Si₅N₈:Eu²⁺.
In einer alternativen Ausführungsform umfasst das Leuchtstoffmaterial mindestens zwei verschiedene Leuchtstoffe, mindestens drei verschiedene Leuchtstoffe oder mindestens vier verschiedene Leuchtstoffe.
In einer Ausführungsform beträgt die bestimmte zweite Wellenlänge, d.h. die dominante Wellenlänge, die sich aus der Umwandlung der bestimmten ersten Wellenlänge ergibt, etwa 590 nm. Die Leuchtstoffe, die das Licht in diese Wellenlänge umwandeln können, sind z. B. (Ba,Sr)₂Si₅N₈:Eu²⁺, Ca-α- SiAlON:Eu²⁺ und YAG:Ce+CaAlSiN₃:Eu. Die Leuchtstoffe können als keramische Schicht oder als Partikel in einem Wirtsmaterial, wie transparente Keramik, Glas oder Silikon, vorhanden sein.
In einer alternativen Ausführungsform beträgt die bestimmte zweite Wellenlänge, d.h. die Wellenlänge, die aus der Umwandlung der bestimmten ersten Wellenlänge erhalten wird, etwa 610 nm bis etwa 630 nm. Die Leuchtstoffe, die das Licht in diese Wellenlänge umwandeln können, sind z.B. (Ca,Sr)AlSiN₃:Eu²⁺, (Sr,Ca)Al₂Si₂N₆:Eu²⁺, (Ba,Sr,Ca)₂Si_sN₈:Eu²⁺, Sr(LiAl₃N₄):Eu²⁺. Die Leuchtstoffe können als keramische Schicht oder als Partikel in einem Wirtsmaterial, wie z. B. einer transparenten Keramik, Glas oder Silikon, vorhanden sein.
In einer alternativen Ausführungsform beträgt die bestimmte zweite Wellenlänge, d. h. die Wellenlänge, die aus der Umwandlung der bestimmten ersten Wellenlänge erhalten wird, mehr als etwa 700 nm. Die Leuchtstoffe, die das Licht in diese Wellenlänge umwandeln können, sind z.B. Cr^3+/4+, Ni²⁺, Bi, Yb, Tm, Er usw. dotierte Wirtskristalle und Gläser (z.B. La₃Ga₅GeO₁₄, Ga₂O₃, Gd₃Ga₃Sc₂O₁₂, Mg₂SiO₄, usw.). Die Leuchtstoffe können als Partikel in einem Wirtsmaterial, wie z. B. einer transparenten Keramik, Glas oder Silikon, vorhanden sein.
Das beschichtete Glassubstrat oder der beschichtete Saphir-Wafer wird an dem Leuchtstoffmaterial angebracht, um einen Wellenlängenkonverter bereitzustellen. In einer Ausführungsform erfolgt das Anbringen des beschichteten Glassubstrats oder des beschichteten Saphir-Wafers an das Leuchtstoffmaterial durch Laminieren des beschichteten Glassubstrats oder des beschichteten Saphir-Wafers an das Leuchtstoffmaterial mit einem Klebstoff.
Der Klebstoff kann transparentes Epoxid, Silikon oder Polysiloxan sein.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Leuchtstoff an der/den Metalloxidschicht(en) angebracht und das Glassubstrat oder der Saphir-Wafer ist gegenüber dem Leuchtstoff vorhanden. In einer alternativen Ausführungsform ist die Leuchtstoffschicht an dem Glassubstrat oder dem Saphir-Wafer angebracht und die Filterschicht ist gegenüber der Leuchtstoffschicht vorhanden.
In einer weiteren Ausführungsform ist eine Adsorptionsschicht, wie hierin erwähnt, an der Filterschicht angebracht.
In einer Ausführungsform ist der Wellenlängenkonverter in kleinere Stücke zerlegt. Typische Größen für einen Wellenlängenkonverter sind 0,75 mm x 0,75 mm, 1 mm x 1 mm oder 2 mm². In einer bevorzugten Ausführungsform hat der Wellenlängenkonverter eine Größe von 1 mm x 1 mm.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung einer lichtemittierenden Vorrichtungsanordnungen bereitzustellen, umfassend:

Bereitstellen eines LED-Chips, der optional an einem Leadframe angebracht ist, Anbringen eines Wellenlängenkonverters umfassend:
- eine Leuchtstoffschicht und
- eine Filterschicht an dem LED-Chip,

Der LED-Chip, die Leuchtstoffschicht und die Filterschicht entsprechen jeweils den hierin beschriebenen Einrichtungen.
In einer Ausführungsform erfolgt das Anbringen des Wellenlängenkonverters mit Hilfe eines Silikonklebers auf dem LED-Chip.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Wellenlängenkonverter bereitzustellen, der durch ein Verfahren der vorliegenden Erfindung bereitgestellt wird.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine lichtemittierende Vorrichtung bereitzustellen, die nach einem Verfahren der vorliegenden Erfindung hergestellt wird.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Wellenlängenkonverter der vorliegenden Erfindung in LED-Paketen für die industrielle, automobile Beleuchtung verwendet.
Eine typische Mikrostruktur der (Sr,Ba)₂Si₅N₈:Eu-Amber-Keramik ist in 1 dargestellt. Die helle Matrixphase ist (Sr,Ba)₂Si₅N₈. Die dunkleren Phasen sind Ba₁Si₇Ni₁₀. In den Keramiken sind auch einige Poren vorhanden. Innerhalb der Amber-Keramik kann es zu einer recht starken Streuung kommen. Die erste Streuungsquelle ist die Korngrenzenstreuung, da (Sr,Ba)₂Si₅N₈ keine kubische Struktur ist. Die zweite Streuung stammt von den Ba₁Si₇Ni₁₀-Sekundärphasen. Die dritte Streuung kommt von den Poren aufgrund eines großen Brechungsindexkontrasts zwischen der Pore und der Matrix.
Aufgrund der oft in dem Amber-Keramikmaterial vorhandenen signifikanten Streuung ist die Gesamtstreuung abhängig von der Dicke des Amber-Keramikmaterials. Je dicker die Proben sind, desto mehr Streuung ist vorhanden. 2 zeigt die Lumenwerte bei einem Ansteuerungsstrom von 350mA von LEDs, die Amber-Keramikplättchenkonverter mit unterschiedlichen Dicken verwenden. Ld=447 nm bedeutet, dass der LED-Chip blaues Licht mit einer dominanten Wellenlänge von 447 nm emittiert. W/O Guss bedeutet, dass der LED-Chip und der Konverter nicht mit weißem Silikon umgossen sind. Es ist deutlich zu erkennen, dass die LED-Lumen mit zunehmender Dicke der Amber-Keramik abnehmen. Dies beruht auf einem stärker streuenden, reduzierten Paket-Wirkungsgrad.
Es scheint natürlich zu sein, dass eine dünnere Amber-Keramik aufgrund ihrer höheren Paket-Lumen bevorzugt wäre. Aber entsprechend der in 3 gezeigten Farbe von Amber-Keramik-LEDs mit verschiedenen Dicken, fällt die Farbe der dünnsten Amber-Keramik-LEDs aus der erforderlichen Farbspezifikation heraus. Der größere gestrichelte Kasten ist die ECE (Economic commission for Europe) Amber-Farbanforderung. Obwohl dünnere Amber-Keramiken höhere Paket-Lumen ergeben, können sie nicht das gesamte blaue Licht absorbieren und haben daher mehr blaues Restlicht. Mehr blaues Restlicht führt zu einer Verringerung der Farbe Cx. Die Emissionsfarbe verschiebt sich mit zunehmender Dicke allmählich zu höheren emissionsdominanten Wellenlängen. Dies ist auf die Selbstabsorption von dicken Proben zurückzuführen.
Die derzeitige Standarddicke von Amber-Keramiken in Wellenlängenkonvertern liegt bei ca. 120 µm. Eine solche Dicke würde garantieren, dass die Keramik dick genug ist, um den größten Teil des Lichts einer bestimmten ersten Wellenlänge, wie z. B. blaues Licht, zu absorbieren. Die Plättchendicke wurde auf etwa 90 und etwa 70 µm reduziert. Die Farbe und der Umwandlungswirkungsgrad CE wurden mit einem hauseigenen Lochblenden-Aufbau gemessen: OSRAM Tester. Ein stabilisiertes und konstantes blaues Licht tritt durch ein Nadelloch, auf dem die Plättchenprobe sitzt. Das vorwärts transmittierte blaue Restlicht und das emittierte bernsteinfarbene Licht wurden von einer kleinen Ulbricht-Kugel über der Probe aufgefangen. Die Farbe und der Umwandlungswirkungsgrad CE (vorwärts übertragene Lumen geteilt durch das einfallende blaue Pulver, lm/W_b) wurden gemessen.
4 zeigt die Farbverteilung von Amber-Keramikplättchen mit 120, 90 und 70 µm. Für eine Standarddicke von 120 µm haben die Plättchen einen durchschnittlichen CE von 91,4 Im/W. Mit abnehmender Dicke auf 90 und 70 µm steigt der CE auf 96,4 bzw. 98 Im/W.

Ein Wellenlängenkonverter mit der Filterschicht gemäß der vorliegenden Erfindung wurde hergestellt. Das Leuchtstoffmaterial war eine Schicht aus Amber-Keramikmaterialien. Der Filter bestand aus 17 Teilschichten aus abwechselnden Materialien mit niedrigem und hohem Brechungsindex, Al₂O₃ und TiO₂. (Tabelle 1: Filteraufbau).

Teilschicht Nr.	Filterschicht	Dicke [nm]
1	Al₂O₃	37
2	TiO₂	43
3	Al₂O₃	63
4	TiO₂	50
5	Al₂O₃	62
6	TiO₂	51
7	Al₂O₃	66
8	TiO₂	50
9	Al₂O₃	68
10	TiO₂	49
11	Al₂O₃	65
12	TiO₂	51
13	Al₂O₃	68
14	TiO₂	48
15	Al₂O₃	54
16	TiO₂	53
17	Al₂O₃	127
	Luft

Eine aus dem Filteraufbau in Tabelle 1 simulierte Reflexionskurve ist in 5 dargestellt. Sie zeigt einen hohen Reflexionsgrad zwischen 410 und 500 nm. Oberhalb von 500 nm fällt der Reflexionsgrad schnell ab, mit einer Ausschlusswellenlänge bei etwa 530 nm. Eine solche Beschichtung kann auf Amber-Keramikplättchen durch Elektronenstrahlverdampfung, Sputtern oder andere Beschichtungsverfahren vorgenommen werden. Ein bernsteinfarbenes Plättchen vor und nach dem Beschichten wurde mit dem OSRAM-Tester vermessen. Die Messergebnisse werden mit einer simulierten Reflexionskurve der Beschichtung in 5 verglichen. Nach dem Beschichten ist das blaue Restlicht bei 450 nm stark reduziert, während die bernsteinfarbene Emission bei 600 nm leicht erhöht ist.
6 vergleicht die Farbverteilung von Amber-Keramikplättchen mit 120, 90 und 70 µm vor und nach dem Beschichten. Der Cx aller beschichteten Plättchen nimmt zu. Je dünner die beschichteten Plättchen sind, desto mehr steigt ihr Cx an. Der CE der beschichteten Plättchen ist etwa 1 % höher als vor dem Beschichten der Plättchen.
Beschichtete Plättchen wurden zusammen mit unbeschichtet hergestellten Amber-Plättchen als Referenz in einem LED-Paket angeordnet. Die Emissionsfarbe der beschichteten Amber-Plättchen in dem Paket (7) ist der Farbe, die mit dem Osram-Tester in 6 gemessen wurde, sehr ähnlich. Die Paket-Lumen bei 700 mA für beschichtete Amber-Plättchen sind 5-18% höher als unbeschichtet hergestellte Referenz-Plättchen (8).
In einigen Ausführungsformen ist die Amber-Keramik-Oberflächenbearbeitung ein weiterer Aspekt des Beschichtungsverfahrens. 9 zeigt eine SEM-Aufnahme eines Querschnitts einer beschichteten Amber-Keramik. Die Keramikoberfläche ist, wie geschliffen, nicht sehr eben. Die Unvollkommenheit der Oberfläche kann sich in zweierlei Hinsicht negativ auf das Beschichten auswirken. Erstens kann sie die Beschichtungsqualität verringern. Zweitens kann sie eine Streuung einführen, die den Einfallswinkel des Lichts auf die Beschichtung beeinflusst. Der Reflexionsgrad der Beschichtung kann vom Einfallswinkel des Lichts abhängen. Wenn der Einfallswinkel zunimmt, verschiebt sich die Reflexionskurve in 5 nach links und die Ausschluss-Wellenlänge nimmt ab. Somit kann die Streuung, die durch die Unvollkommenheit der Oberfläche verursacht wird, den Reflexionsgrad/Transmissionsgrad verändern. Für den Beschichtungszweck wird vorzugsweise eine polierte Oberfläche aus Amber-Keramik verwendet.

Die Amber-Plättchen mit 70, 90 und 120 µm Dicke wurden mit einer Diamantaufschlämmung auf 1 µm herunterpoliert. Anschließend wurden die polierten Plättchen und die nur geschliffenen Plättchen mit den Schichten gemäß Tabelle 2 beschichtet. Tabelle 2

Teilschicht Nr.	Filterschicht	Dicke [nm]
1	Al₂O₃	32,7
2	TiO₂	53,1
3	Al₂O₃	55
4	TiO₂	51,3
5	Al₂O₃	67
6	TiO₂	53,9
7	Al₂O₃	60,9
8	TiO₂	56
9	Al₂O₃	68,1
10	TiO₂	46,4
11	Al₂O₃	71,1
12	TiO₂	59,6
13	Al₂O₃	48,9
14	TiO₂	52,4
15	Al₂O₃	63
16	TiO₂	57,1
17	Al₂O₃	128,8
	Luft

Die beschichteten polierten und unpolierten Plättchen wurden mit dem OSRAM-Tester gemessen (10). Die Farbe aller polierten Plättchen ist stärker gesättigt als die der unpolierten Plättchen, was durch einen Anstieg von Cx angezeigt wird, was bedeutet, dass es weniger Restblau in beschichteten polierten Plättchen gibt. Ihr CE ist ebenfalls um 1-2 % höher.
Eine weitere Ausführungsform ist ein Stapel einer dünnen Anordnung aus einer Leuchtstoff- und einer Filterschicht mit einer weiteren transparenten Schicht, vorzugsweise Glas, Al₂O₃ oder Silikon (11). Zwischen der transparenten Schicht 5 und der Leuchtstoffschicht 2 befindet sich die Filterschicht 3. Die Filterschicht kann in Hochvolumen-Verfahren zunächst auf die transparente Schicht 5 aufgebracht werden und dann auf die Leuchtstoffschicht 2 (z. B. (Sr,Ba)₂Si₅N₈-Amber-Keramik) durch transparentes Epoxid, Silikon oder Polysiloxan, Wasserglas oder ein niedrig schmelzendes Glas aufgeklebt werden.
Der Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, dass eine transparente Schicht, wie z. B. Glas, eine viel glattere Oberfläche als Keramikmaterialien haben kann. Daher kann die Filterschicht auf einer solchen Leuchtstoffschicht eine bessere Qualität aufweisen. Da bei der Offenlegung dünnere Amber-Keramik mit geringerer Streuung verwendet wird, besteht ein mögliches Problem darin, dass die Höhe der Keramik niedriger ist als der höchste Punkt des Bonddrahtes (12). Der höchste Abschnitt des Drahtes kann nicht durch Gussschutzmaterial, wie z. B. Silikon, abgedeckt werden. Somit ist ein weiterer Vorteil dieser Ausführungsform, dass die Gesamtdicke des Hybrids so eingestellt werden kann, dass sie höher ist als der Bonddraht, so dass die gesamten Bonddrähte durch Seitenwandschutzverguss in dem Paket geschützt werden können (12).
13 zeigt ein beispielhaftes Verfahren zur Herstellung eines Wellenlängenkonverters. In einem ersten Schritt wird eine Filterschicht 3 auf ein Glassubstrat oder einen Saphir-Wafer 8 aufgebracht. Die Leuchtstoffschicht 2 wird mit einem Klebstoff 9 an der Filterschicht angebracht. Dies führt zu einem sogenannten Mehrschichtstapel. In einem weiteren Schritt wird der Mehrschichtstapel in einem anschließenden Schritt in kleinere Stücke zerlegt.
14 zeigt ein beispielhaftes Verfahren zur Herstellung einer lichtemittierenden Vorrichtungsanordnungen 6. In einem ersten Schritt wird der Wellenlängenkonverter 1 an dem LED-Chip 7 angebracht, der an einem Leadframe 10 angebracht ist. An dem LED-Chip 7 wird ein Bonddraht 11 angebracht. In einem weiteren Schritt wird die Anordnung mit einem Formwerkzeug 12 in einem Abformungsschritt abgeformt, wobei ein Schutzsilikonverguss 13 vorhanden ist. Nach dem Formgebungsschritt wird eine lichtemittierende Vorrichtungsanordnung 6 erhalten.
15 zeigt eine beispielhafte dicke Keramik, während 16 eine erfindungsgemäße dünne Keramik zeigt. Die Umwandlung von blauem Licht in Licht längerer Wellenlänge in der Konverterkeramik erzeugt Wärme durch Stokes'sche Verschiebungsverluste. Dies führt zu einem Temperaturanstieg im Keramikelement. Der Wärmewiderstand des Konverterelements und damit die Maximaltemperatur nehmen mit der Dicke zu. Der Umwandlungswirkungsgrad sinkt mit der Temperatur, die Degradation steigt. Daher verbessert eine Verringerung der Dicke der Keramik die Leistung der Konverter-LED besonders bei Hochleistungsanwendungen und Stromdichten >1 A/mm². Daher ist eine dünne Keramikschicht d < 70 µm mit Beschichtung besser als eine dicke Schicht. In Summe führt R_{th_thick} > R_{th_thin} zu T_thick > T_thin.
17 zeigt die Reflexionseigenschaften einer Beschichtung. Ein Problem dabei ist, dass sich das Reflexionsband einer dielektrischen Beschichtung mit dem Einfallswinkel in der Wellenlänge verschiebt. Eine 100%ige Reflexion der breiten blauen LED (FWHM~25nm) kann nicht für alle Einfallswinkel sichergestellt werden. Daher ist die Farbe weniger gesättigt, z. B. für hohe Einfallswinkel. Eine mögliche Lösung ist das Hinzufügen einer wellenlängenselektiven Absorptionsschicht auf der Filterschicht, was zu einer Absorption von blauem Licht und damit zur Transmission von Licht einer längeren Wellenlänge führt. Der Großteil des nicht absorbierten blauen Lichts (z. B. >90 %) wird von der Filterschicht reflektiert, der restliche Teil von dem Blaufilter absorbiert. Das Filterschichtband und die blaue LED sollten so abgestimmt sein, dass senkrechter Einfall am besten reflektiert und höhere Winkel teilweise transmittiert werden, da die optische Weglänge in der Absorptionsschicht für höhere Einfallswinkel länger ist.
18 zeigt die Farbe einer LED mit Keramikschicht aus verschiedenen Beobachtungswinkeln. O° steht für die Beobachtung entlang der optischen Achse, größere Winkel für schräge Beobachtung. Während für eine dicke Keramikschicht ohne Spiegel (2) die Farbverschiebung zwischen direkter und schräger Beobachtung gering ist, kann sie für den Fall einer dünnen Keramikschicht mit einem dielektrischen Filter (1) stark variieren. In diesem Fall kann eine Blockierung von Licht aus schrägen Winkeln, eine zusätzliche Mischoptik oder, wie beschrieben, eine zusätzliche absorbierende Schicht über dem reflektierenden Spiegel erforderlich sein.
19 zeigt verschiedene Ausführungsformen von Wellenlängenkonvertern 1. Eine Absorptionsschicht 4 könnte direkt auf die Filterschicht 3 oder auf die Unter- oder Oberseite des Glassubstrats oder Saphir-Wafers 8 aufgebracht werden. Eine andere Möglichkeit besteht darin, ein blaues Filterglas mit der Filterschicht 3 zu beschichten. Materialien für die Absorptionsschichten können umfassen: Ionendotierte Gläser (Schott-Filtergläser), Konvertermaterialien mit hoher Aktivatorkonzentration und hohem Quenching, oder insbesondere für dünne Beschichtungen Halbleitermaterialien mit einer Bandlücke, die größer ist als die Emission (z. B. GaP o. ä. für Gelb).
Mit den hierin beschriebenen Verfahren und Einrichtungen besteht der Vorteil von höherer Wirksamkeit bei dünneren Keramiken, und gleichzeitig kann sichergestellt werden, dass ihre Farbe innerhalb der Farbanforderungen liegt.
Im Allgemeinen sind dicke Schichten bei Wellenlängenkonvertern wegen der Streuung oft unwirksam, haben aber oft eine hohe Farbsättigung. Je dünner die Wellenlängenkonverter sind, desto weniger Streuung tritt oft auf, verbunden mit einem höheren Wirkungsgrad, aber einer geringen Farbsättigung. Die Wellenlängenkonverter der vorliegenden Erfindung zeigen eine geringe Streuung, eine geringe Rückreflexion, einen hohen Wirkungsgrad und eine gute Sättigung.
Während aufgezeigt und beschrieben wurde, was derzeit als bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung betrachtet wird, ist es für den Fachmann offensichtlich, dass verschiedene Änderungen und Modifikationen hierin ohne Abweichung von dem Umfang der Erfindung, wie durch die beigefügten Ansprüche definiert, vorgenommen werden können. Die Offenlegung umfasst vielmehr jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den beigefügten Ansprüchen einschließt, auch wenn das Merkmal oder die Kombination an sich nicht ausdrücklich in den Ansprüchen oder den Beispielen angegeben ist.
Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der US-Patentanmeldung 16/269,422 , die hierin durch Bezugnahme vollumfänglich mitumfasst ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 8957493 [0005]
US 16269422 [0108]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Oh et al., Optics Express 2010,18(11), 11063-11072 [0006]

Claims

Wellenlängenkonverter umfassend: eine Leuchtstoffschicht; und eine Filterschicht, wobei die Filterschicht direkt an der Leuchtstoffschicht angebracht ist, und wobei der Wellenlängenkonverter eine Gesamtdicke zwischen 20 µm und 80 µm aufweist.
Wellenlängenkonverter nach Anspruch 1, wobei ein Leuchtstoff der Leuchtstoffschicht aus der Gruppe ausgewählt ist bestehend aus (Ba,Sr)₂Si₅N₈:Eu²⁺, Ca-α-SiAlON:Eu²⁺, YAG:Ce+CaAlSiN₃:Eu, (Ca,Sr)AlSiN_S:Eu²⁺, (Sr,Ca)Al₂Si₂N₆:Eu²⁺, (Ba,Sr,Ca)₂Si₅N₈:Eu²⁺ und Sr(LiAl₃N₄):Eu²⁺.
Wellenlängenkonverter nach Anspruch 1, wobei die Filterschicht mindestens zwei verschiedene Metalloxide umfasst.
Wellenlängenkonverter nach Anspruch 1, wobei die Filterschicht mindestens zwei verschiedene Metalloxide umfasst, die aus der Gruppe ausgewählt sind, bestehend aus SiO₂, Al₂O₃, TiO₂, Nb₂O₅, Ta₂O₅, HfO₂ und Y₂O₃.
Wellenlängenkonverter nach Anspruch 1, der ferner eine Absorptionsschicht umfasst.
Wellenlängenkonverter nach Anspruch 5, wobei die Absorptionsschicht aus ionen-dotierten Farbfiltergläsern ausgewählt ist, umfassend MoS₂-gefärbte Gläser, Ce-dotiertes Gallium-Gadolinium-YAG, oder ausgewählt ist aus Halbleitermaterialien.
Wellenlängenkonverter nach Anspruch 6, wobei die Halbleitermaterialien GaP, AlP, AlAs, CdSe oder CdS in Form von dünnen Schichten oder in Form von Nanopartikeln umfassen.
Lichtemittierende Vorrichtungsanordnung umfassend: einen LED-Chip; und einen Wellenlängenkonverter umfassend: eine Leuchtstoffschicht; und eine Filterschicht, wobei die Filterschicht direkt an der Leuchtstoffschicht angebracht ist, und wobei der Wellenlängenkonverter eine Gesamtdicke zwischen 20 µm und 80 µm aufweist.
Verfahren zur Herstellung eines Wellenlängenkonverters, wobei das Verfahren umfasst: Bereitstellen eines Glassubstrats oder eines Saphir-Wafers, Beschichten des Glassubstrats oder des Saphir-Wafers mit einer Filterschicht, die verschiedene Metalloxide umfasst, um ein beschichtetes Glassubstrat oder einen beschichteten Saphir-Wafer herzustellen, Bereitstellen eines Leuchtstoffs, und Anbringen des beschichteten Glassubstrats oder des beschichteten Saphir-Wafers an dem Leuchtstoff, wodurch ein Wellenlängenkonverter bereitgestellt wird, der eine Leuchtstoffschicht umfasst, wobei die Filterschicht direkt an der Leuchtstoffschicht angebracht ist, und wobei der Wellenlängenkonverter eine Gesamtdicke zwischen 20 µm und 80 µm aufweist.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Metalloxide ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus SiO₂, Al₂O₃, TiO₂, Nb₂O₅, Ta₂O₅, HfO₂ und Y₂O₃.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Leuchtstoffmaterial ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus (Ba,Sr)₂Si₅N₈:Eu²⁺, Ca-α-SiA10N:Eu²⁺, YAG:Ce+CaAlSiN:Eu, (Ca,Sr)AlSiN₃:Eu²⁺, (Sr,Ca)Al₂Si₂N₆:Eu²⁺, (Ba,Sr,Ca)₂Si₅N₈:Eu²⁺ und Sr(LiAl₃N₄):Eu².
Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Anbringen des beschichteten Glassubstrats oder des beschichteten Saphir-Wafers an dem Leuchtstoffmaterial das Laminieren des beschichteten Glassubstrats oder des beschichteten Saphir-Wafers an das Leuchtstoffmaterial mit einem Klebstoff umfasst.
Verfahren nach Anspruch 9, ferner Anbringen einer Absorptionsschicht an dem Wellenlängenkonverter.
Verfahren nach Anspruch 9 ferner umfassend das Zerkleinern des Wellenlängenkonverters.
Wellenlängenkonverter, hergestellt nach dem Verfahren nach Anspruch 9.
Verfahren zur Herstellung einer lichtemittierenden Vorrichtungsanordnung, umfassend: Bereitstellen eines LED-Chips; und Anbringen eines Wellenlängenkonverters an dem LED-Chip, wobei der Wellenlängenkonverter eine Leuchtstoffschicht und eine Filterschicht umfasst, wobei die Filterschicht direkt an der Leuchtstoffschicht angebracht ist, und wobei der Wellenlängenkonverter eine Gesamtdicke zwischen 20 µm und 80 µm aufweist.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei der LED-Chip aus GaN/InGaN-basierten Halbleitermaterialien ausgewählt ist.
Lichtemittierende Vorrichtungsanordnung, die nach dem Verfahren nach Anspruch 16 hergestellt ist.