DE202007014397U1 - Lichtemittierende Vorrichtung - Google Patents
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Abstract
Lichtemittierende
Vorrichtung, die ein lichtemittierendes Bauteil (1), das auf ein
Substrat (2) aufgebracht ist, und einen Lichtkonverter (3) enthält, der
in der Lage ist, einen Teil des vom lichtemittierenden Teil (1)
ausgesandten Lichtes zu absorbieren und Licht mit einer Wellenlänge auszusenden,
die sich von der des absorbierten Lichtes unterscheidet, dadurch
gekennzeichnet, dass eine beschichtete oder unbeschichtete Fläche des
Substrats (2) mit einer Fläche
des Lichtkonverters (3) mittels eines im wesentlichen anorganischen
Bindemittels (4) verbunden ist.
Description
- Die Erfindung betrifft eine lichtemittierende Vorrichtung.
- Lichtemittierende Vorrichtungen sind beispielsweise aus der Schrift
EP 0 936 682 A1 bekannt und werden im wesentlichen wie folgt hergestellt. - Eine lichtemittierende Schicht bzw. ein lichtemittierendes Bauteil wird auf ein Substrat aufgebracht. Lichtemittierende, auf GaN-basierende Halbleiter werden beispielsweise auf Wafersubstrate aus Saphir (Al2O3), Spinel (MgAl2O4), SiC, Si, ZnO oder ähnliche Substanzen mittels Abscheidung aus der Gasphase aufgebracht. Die mit dem Halbleiter beschichteten Wafersubstrate werden vereinzelt. Diese Einzelteile werden mittels eines Harzes, z.B. Epoxid-, Acryl- oder Imidharz, mit einem Lichtkonverter verbunden, wobei der Lichtkonverter als makroskopisches Bauteil vorliegen oder auch als Pulverteilchen in die Harzmatrix eingebettet sein kann. Der Lichtkonverter ist in der Lage, einen Teil des vom lichtemittierenden Halbleiter ausgesandten Lichtes zu absorbieren und Licht mit einer Wellenlänge auszusenden, die sich von der des absorbierten Lichtes unterscheidet. Der Lichtkonverter wird dabei direkt mit der Halbleiterschicht verklebt, so dass die Lichtabstrahlung vom Halbleiter durch den Lichtkonverter erfolgt. Der Lichtkonverter kann aber auch mit dem Substrat verklebt werden, so dass die Lichtabstrahlung vom Halbleiter durch das Substrat und anschließend durch den Lichtkonverter erfolgt.
- Die verwendeten Harze haben sich problematisch im Hinblick auf ihre chemische, Strahlungs- und thermische Beständigkeit, insbesondere unter Licht- und Wärmeeinwirkung, und ihre unzureichenden optischen Eigenschaften erwiesen.
- Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine lichtemittierende Vorrichtung bereitzustellen, die ein lichtemittierendes Bauteil, das auf ein Substrat aufgebracht ist, und einen Lichtkonverter enthält, der in der Lage ist, einen Teil des vom lichtemittierenden Bauteil ausgesandten Lichtes zu absorbieren und Licht mit einer Wellenlänge auszusenden, die sich von der des absorbierten Lichtes unterscheidet, wobei eine Verbindung von Substrat und Lichtkonverter wenigstens eine der folgenden Eigenschaften aufweisen soll:
- – geringe Lichtabsorption im sichtbaren und nahen UV-Lichtbereich,
- – geringer Reflexionsverlust beim Lichtdurchgang, insbesondere des Lichts vom lichtemittierenden Bauteil oder beim Durchgang des Lichts durch das Substrats durch die Verbindung und den Lichtkonverter,
- – Brechungsindex im Bereich des Brechungsindex des Substrats,
- – Hohe thermische Beständigkeit, insbesondere bis 200 °C,
- – Hohe Beständigkeit, insbesondere chemische Beständigkeit, gegenüber intensiver Strahlung im blauen bis UV-Lichtbereich,
- – Herstellbarkeit bei Temperaturen von bis max. 200 °C.
- Im folgenden wird lichtemittierendes Bauteil oder lichtemittierneidende Schicht nur noch als lichtemittierendes Bauteil bezeichnet. Die Erfindung ist jedoch nicht auf eine bestimmte Form oder Art des Lichtemitters beschränkt.
- Gemäß Anspruch 1 wird die Aufgabe gelöst mittels einer lichtemittierende Vorrichtung, die ein lichtemittierendes Bauteil (
1 ), das auf ein Substrat (2 ) aufgebracht ist, und einen Lichtkonverter (3 ) enthält, der in der Lage ist, einen Teil des vom lichtemittierenden Bauteil (1 ) ausgesandten Lichtes zu absorbieren und Licht mit einer Wellenlänge auszusenden, die sich von der des absorbierten Lichtes unterscheidet. Wenigstens eine beschichtete oder unbeschichtete Fläche des Substrats (2 ) ist dabei mit einer Fläche des Lichtkonverters (3 ) mittels eines im wesentlichen anorganischen Bindemittels (4 ) verbunden. - Mit Fläche des Substrats (
2 ) und/oder die Fläche des Lichtkonverters (3 ) ist sowohl eine ganze Fläche als auch ein Teil einer Fläche gemeint. Z.B. kann eine quadratische Oberfläche eines plättchenförmigen Substrats (2 ) mit einer gleichgroßen quadratischen Oberfläche eines plättchenförmigen Lichtkonverters (3 ) mittels eines im wesentlichen anorganischen Bindemittels (4 ) verbunden sein. Es können aber auch nur Teile der einer quadratische Oberfläche eines plättchenförmigen Substrats (2 ) mit Teilen einer gleichgroßen quadratischen Oberfläche eines plättchenförmigen Lichtkonverters (3 ) mittels eines im wesentlichen anorganischen Bindemittels (4 ) verbunden sein. Wesentlich ist, dass wie auch immer geformte, ebene oder gewölbte Flächen oder Teile solcher Flächen von Substrat (2 ) und Lichtkonverter (3 ) mittels eines im wesentlichen anorganischen Bindemittels (4 ) verbunden sind. - Eine unbeschichtete Fläche des Substrats (
2 ) ist die Substratoberfläche. Eine beschichtete Fläche des Substrats (2 ) ist eine Beschichtung, die auf die Substratoberfläche aufgebracht wurde. Solch eine Beschichtung kann das lichtemittierende Bauteil (1 ) sein oder diese enthalten. - Es hat sich gezeigt, dass der Verbindung von Substrat und Lichtkonverter mittels eines im wesentlichen anorganischen Bindemittels die eingangs geforderten Eigenschaften erreicht werden. Es wurden lichtemittierende Vorrichtungen erhalten deren Verbindung von Substrat und Lichtkonverter eine im Vergliche zum Stand der Technik geringere Lichtabsorption im sichtbaren und nahen UV-Lichtbereich aufweisen. Die Reflexionsverlust beim Lichtdurchgang, insbesondere des Lichts vom lichtemittierenden Teil bzw. der Schicht oder beim Durchgang des Lichts durch das Substrats durch die Verbindung und den Lichtkonverter, wurden ebenfalls verringert. Der Brechungsindex der Verbindung kann im Bereich des Brechungsindex des Substrats eingestellt werden. Die Verbindung weist eine hohe thermische Beständigkeit bis 200 °C auf. Ebenfalls wurde eine hohe Beständigkeit, insbesondere gegenüber intensiver Strahlung im blauen bis UV-Lichtbereich nachgewiesen. Da bei der Herstellung der Verbindung ein Niedertemperaturfügeverfahren eingesetzt wurde, betrug die Temperaturbelastung währende der Herstellung der Verbindung maximal 200 °C.
- Beim Übergang des Lichtes vom lichtemittierenden Bauteil durch das Substrat oder direkt in den Lichtkonverter entsteht durch den Brechungsindexsprung ein starker Reflexionsverlust. Das Bauteil, z.B. ein Halbleiter, hat einen Brechungsindex von n 2,5, Substrate wie Al2O3 einen Brechungsindex von n ~ 1,7. Feststoff-Lichtkonverter wie Glaskeramiken, die Ce:(Y,Gd)Aluminiumgranat als Kristallphase enthält, hat einen mittleren Brechungsindex von n ~ 1,8. Durch den Brechungsindexsprung n ~ 1,7 nach n ~ 1 (Luft, Vakuum) nach n ~ 1,8 entsteht ein Reflexionsverlust bei senkrechtem Einfall von (n1 – n2)2/(n1 + n2)2 an jeder der Grenzflächen.
- Erfindungsgemäß wird dadurch, dass dabei die Fläche des Substrats mit der Fläche des Lichtkonverters (
3 ) mittels eines im wesentlichen anorganischen Bindemittels (4 ) verbunden ist, der Luftspalt vermieden und es tritt nur noch ein geringer Brechzahlsprung von n ~ 1,7 auf n ~ 1,8 auf. Vorzugsweise liegt der Brechungsindex der Bin demittels (4 ) im Bereich von +/- 20 %, insbesondere im Bereich +/- 10 % und ganz besonders im Bereich von +/- 8 %, des Brechungsindex des Substrats (2 ). - Die Fläche des Substrats (
2 ) kann mit der Fläche des Lichtkonverters (3 ) mittels eines Aluminium-Sauerstoff-Netzwerks verbunden sein. Bei Substraten, die Aluminium enthalten, z.B. Al2O3-basierte Substrate, lassen sich so besonders gut verbinden. Allgemein wurde festgestellt, dass chemisch ähnliche Substrate und Bindemittel, z.B. SiO2-basiertes Substrat und siliziumhaltiges Bindemittel oder ZnO-basiertes Substrat und zinkhaltiges Bindemittel, besonders beständige und auch optisch vorteilhafte Verbindungen ergeben. - Das lichtemittierende Bauteil (
1 ) ist vorzugsweise eine Halbleitersubstanz, insbesondere eine Halbleitersubstanz auf Basis von GaN. Vorzugsweise ist das lichtemittierende Bauteil (1 ) als Schicht auf das Substrat (2 ) aufgebracht. - Das Substrat (
2 ) besteht bis auf unvermeidliche Verunreinigungen, z.B. Verunreinigungen der Rohstoffe oder Verunreinigungen die sich bei der Substratherstellung oder -weiterverarbeitung ergeben, vorzugsweise aus Al2O3, insbesondere aus einkristallinem Al2O3. - Insbesondere werden waferförmige Substrate eingesetzt.
- Der Lichtkonverter umfasst bevorzugt ein Glas, eine Glaskeramik oder eine Keramik. Solche Lichtkonverter sind beispielsweise aus den Schriften
DE 103 11 820 A1 ,DE 10 2004 019 802 A8 ,DE 10 2004 048 041 A1 ,DE 10 2005 031 523.2 ,DE 10 2006 027 307.9 undDE 10 2006 027 306.0 bekannt. Der Offenbarungsgehalt dieser Schriften soll auch als Offenbarungsgehalt dieser Anmeldung gelten. - Weiterhin enthält der Lichtkonverter (
3 ) Terbium, Gadolinium, Cer, Europium und/oder weitere Seltenerdelemente. - Der Lichtkonverter (
3 ) enthält vorzugsweise dotierten Granat, insbesondere (Y1-rGdr)3Al5O12:SE mit 0 ≤ r ≤ 1, SE wenigstens ein Seltenerdelement und wobei Al teilweise durch Ga und/oder In ersetzt sein kann. - Erfindungsgemäß kann der Lichtkonverter mit einen weiteren Lichtkonverter und/oder mit einem weiteren Bauteil, z.B. einer Linse, einer Abdeckung, einem weitern Substrat, mittels eines im wesentlichen anorganischen Bindemittels (
4 ) verbunden sein. Gleiches gilt für das Substrat, so dass sich alle möglichen Kombinationen aus Substrat. Lichtkonverter und weitern Bauteilen verbunden sein können. Insbesondere Verbindungen von Lichtkonvertern, die Licht mit unterschiedlichen Wellenlängen absorbieren, sind so herzustellen. - Bei der Herstellung einer lichtemittierenden Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, werden zum Verbinden der Fläche des Substrats (
1 ) mit der Fläche des Lichtkonverters (3 ) die Flächen unter Verwendung einer das anorganische Bindemittel enthaltenden Lösung oder einer das anorganische Bindemittel bildenden Lösung zusammengefügt und die Bestandteile der Lösung zwischen den zusammengefügten Flächen zur Reaktion gebracht. - Aluminat-haltige, insbesondere tetrahydroxyaluminat-haltige Lösungen haben sich beim Zusammenfügen von aluminiumhaltigen Substraten als besonders geeignet erwiesen.
- Im folgenden soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden:
Erfindungsgemäß wird zur Herstellung der Verbindung (optischer Bond) zwischen Substrat und Lichtkonverter eine wässrige Lösung von Tetrahydroxyaluminat verwendet, die zwischen die zuvor aktivierten (d. h. eine hohe Dichte von OH-Gruppen aufweisenden) Oberflächen der zu verbindenden Bauteile gebracht wird. Nach dem Zusammenfügen der Oberflächen reagieren die Tetrahydroxyaluminat-Moleküle mit den OH-Gruppen der Oberflächen sowie untereinander unter Ausbildung eines dreidimensionalen Netzwerks. Die Reaktion verläuft bei Raumtemperatur innerhalb eines Tages bis einer Woche, abhängig von den Abmessungen der Fügefläche. - Erfindungsgemäß wird mit besonderem Vorteil eine Lösung von Tetrahydroxyaluminat verwendet, die durch Zugabe zusätzlichen Hydroxids gegen das Ausfallen von Aluminiumhydroxid stabilisiert ist.
- Aufgrund der eventuellen Reaktionsträgheit von Substraten, wie z.B. Saphirwafern, oder von Lichtkonversionsmaterialien aus Glas, Glaskeramik oder Keramik, ist es zur Herstellung des optischen Bonds erforderlich, ein spezielles Verfahren zur Aktivierung der Oberflächen (d. h. zur Erzeugung von vielen OH-Oberflächengruppen) bereitzustellen, da eine Behandlung mit üblichen Säuren oder Basen nicht zum Erfolg führt. Die Aktivierung der Oberflächen erfolgt durch mehrstündige Behandlung mit Peroxomonoschwefelsäure, gebildet durch ein Gemisch aus konzentrierter Schwefelsäure und Wasserstoffperoxid.
- Ausführungsbeispiel:
- Saphirsubstrat und Glaskeramik-Lichtkonverter wurden zunächst als feingeschliffene Plättchen von 1 cm2 Fläche bereitgestellt. Diese wurden in einer Reingerlösung (z.B. eine wässrige Reinigerlösung auf Tensid- und/oder Ammoniakbasis, wie eine 10 %ige Micro90®-Lösung in Wasser) im Laborultraschallbad bei 50 °C 15 Minuten lang gereinigt, mit bi-destilliertem Wasser abgespült und im Stickstoffstrom getrocknet. Die Aktivierung erfolgte in einem Gemisch von 7 Teilen konzentrierter Schwefelsäure und 3 Teilen Wasserstoffperoxid (30 %) über Nacht (mindestens 12 Stunden). Danach wurden die Fügeteile wiederum mit bi-destilliertem Wasser abgespült und im Stickstoffstrom getrocknet. Zur Herstellung der Tetrahydroxyaluminatlösung werden 5,12 g Natriumaluminat (NaAlO2) und 2,50 g Natriumhydroxid in 15 ml Wasser gelöst. Ein Teil der Lösung wurde durch ein 0,2 μm-Membranfilter filtriert und zur nachfolgenden Herstellung des optischen Bonds verwendet. Hierzu wurden 5 μl der Lösung auf das aktivierte Saphirsubstrat gegeben, so dass sich ein geschlossener Film ergab. Hierauf wurde der aktivierte Glaskeramik-Lichtkonverter so gelegt, dass keine Luftblasen eingeschlossen wurden. Die so gefügten Bauteile wurden zum Aushärten der Lösung
24 Stunden bei Raumtemperatur über Wasser gelagert. -
1 zeigt eine erfindungsgemäße lichtemittierende Vorrichtung, die ein lichtemittierendes Bauteil (1 ), das auf ein Substrat (2 ) aufgebracht ist, und einen Lichtkonverter (3 ) enthält, der in der Lage ist, einen Teil des vom lichtemittierenden Teil (1 ) aus gesandten Lichtes zu absorbieren und Licht mit einer Wellenlänge auszusenden, die sich von der des absorbierten Lichtes unterscheidet. Eine Fläche des Substrats (2 ) ist mit einer Fläche des Lichtkonverters (3 ) mittels eines im wesentlichen anorganischen Bindemittels (4 ) verbunden ist. Das Substrat (2 ) besteht aus einem einkristallinem Al2O3-Plättchen. Auf dieses Substrat (2 ) wurde mittels Gasphasenabscheidung das lichtemittierende Bauteil (1 ) in Form einer dünnen GaN-basierenden Halbleiterschicht aufgebracht. Als Lichtkonverter (3 ) wurde eine Glaskeramikplättchen, das als Kristallphase dotierten Granat (z.B. Ce:Yttrium-Aluminium-Granat; Ce:YAG) enthält verwendet. Substrat (2 ) und Lichtkonverter (3 ) wurden wie oben beschrieben vorbehandelt und mittels der aluminathaltigen Lösung dauerhaft miteinander verbunden. Der Lichtkonverter (3 ) ist also direkt mit dem Substrat (2 ) verklebt, so dass die Lichtabstrahlung vom Halbleiter (lichtemittierenden Bauteil (1 )) durch das Substrat (2 ) und anschließend, die das Bindemittel (4 ) enthaltende oder durch das Bindemittel (4 ) gebildete Schicht und durch den Lichtkonverter (3 ) erfolgt, was durch den eingezeichneten Pfeil symbolisiert ist. - Die in
2 dargestellte lichtemittierende Vorrichtung wurde, wie in1 dargestellt, erweitert. Dabei wurde auf der Lichtkonverter (3 ) mit einem weiteren Lichtkonverter (3' ) mittels der aluminathaltigen Lösung dauerhaft verbunden. Bei dem Lichtkonverter (3' ) handelt es sich in diesem Beispiel um ein Glaskeramikplättchen, das als Kristallphase Ce:GdAG enthält. So lassen sich lichtemittierenden Vorrichtungen herstellen, deren Lichtkonverter bei unterschiedlichen Wellenlängen des Lichts emittieren. Dadurch sind gezielte Farbzusammenstellungen des resultierenden abgestrahlten Lichts möglich. - Gemäß
3 wurde die in1 dargestellte lichtemittierende Vorrichtung ebenfalls erweitert. Dabei wurde der Lichtkonverter (3 ) mit einem weiteren Bauteil (5 ), z.B. einer optischen Linse, einem Farbfilter, einer Abdeckung, verbunden. Die Verbindung des Lichtkonverters (3 ) mit dem Bauteil (5 ) erfolgte ebenfalls mittels der aluminathaltigen Lösung. -
4 zeit eine weiter vorteilhaft Ausgestaltung der Erfindung. Der Lichtkonverter (3 ) ist direkt mit der Halbleiterschicht, die auf das Substrat (2 ) aufgebracht wurde, verklebt, so dass die Lichtabstrahlung vom Halbleiter durch die das Bindemittel (4 ) aufweisende oder durch das Bindemittel (4 ) gebildete Schicht und anschließend durch den Lichtkonverter (3 ) erfolgt. - Gemäß
5 ist die Halbleiterschicht (1 ) nur auf den inneren Teil einer Fläche des Substrats (2 ) aufgebracht. Der äußere Teil der Fläche des Substrats (2 ) ist mit einer Fläche des Lichtkonverters (3 ) mittels eines im wesentlichen anorganischen Bindemittels (4 ) verbunden.
Claims (9)
- Lichtemittierende Vorrichtung, die ein lichtemittierendes Bauteil (
1 ), das auf ein Substrat (2 ) aufgebracht ist, und einen Lichtkonverter (3 ) enthält, der in der Lage ist, einen Teil des vom lichtemittierenden Teil (1 ) ausgesandten Lichtes zu absorbieren und Licht mit einer Wellenlänge auszusenden, die sich von der des absorbierten Lichtes unterscheidet, dadurch gekennzeichnet, dass eine beschichtete oder unbeschichtete Fläche des Substrats (2 ) mit einer Fläche des Lichtkonverters (3 ) mittels eines im wesentlichen anorganischen Bindemittels (4 ) verbunden ist. - Lichtemittierende Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Brechungsindex der Bindemittels (
4 ) im Bereich von +/- 20 %, insbesondere im Bereich +/- 10 %, des Brechungsindex des Substrats (2 ) liegt. - Lichtemittierende Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das die Fläche des Substrats (
2 ) mit der Fläche des Lichtkonverters (3 ) mittels eines Aluminium-Sauerstoff-Netzwerks verbunden ist. - Lichtemittierende Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das lichtemittierende Bauteil (
1 ) eine Halbleitersubstanz, insbesondere eine Halbleitersubstanz auf Basis von GaN, ist. - Lichtemittierende Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (
2 ) bis auf unvermeidliche Verunreinigungen aus Al2O3, insbesondere aus einkristallinem Al2O3, besteht. - Lichtemittierende Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtkonverter (
3 ) ein Glas, eine Glaskeramik oder eine Keramik umfasst. - Lichtemittierende Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtkonverter (
3 ) Terbium, Gadolinium, Cer, Europium und/oder weitere Seltenerdelemente enthält. - Lichtemittierende Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtkonverter (
3 ) dotierten Granat, insbesondere (Y1-rGdr)3Al5O12:SE mit 0 ≤ r ≤ 1, SE wenigstens ein Seltenerdelement und wobei Al teilweise durch Ga und/oder In ersetzt sein kann, enthält. - Lichtemittierende Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine beschichtete Fläche des Substrats (
2 ), wobei die Beschichtung das lichtemittierende Bauteil (1 ) ist, mit einer Fläche des Lichtkonverters (3 ) verbunden ist.
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-
2007
- 2007-01-25 DE DE202007014397U patent/DE202007014397U1/de not_active Expired - Lifetime
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| WO2009132837A2 (de) * | 2008-04-29 | 2009-11-05 | Schott Ag | Optik-konverter-system für (w)leds |
| WO2009132837A3 (de) * | 2008-04-29 | 2009-12-23 | Schott Ag | Optik-konverter-system für (w)leds |
| US9409811B2 (en) | 2008-04-29 | 2016-08-09 | Schott Ag | Optical converter system for (W)LEDs |
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