JP6632665B2 - 複数の変換素子を製造する方法およびオプトエレクトロニクス構成素子 - Google Patents
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Description
本発明は、複数の変換素子を製造する方法に関する。さらに、本発明は、特に本明細書に記載の方法によって製造される少なくとも1つの変換素子を含むオプトエレクトロニクス構成素子に関する。
変換素子は、多くの場合、例えば従来の変換材料または量子ドットなどの変換材料を含んでいる。これらの変換材料は、ビーム源によって放射されたビームを、変更された波長、例えば、より長い波長を有するビームに変換する。これらの変換材料は、通常は、処理可能な形態の変換材料を得るために、マトリックス材料内で分散されている。変換材料としての量子ドットは、それらが大抵はセレン化カドミウムから成っているかまたはセレン化カドミウムを含んでいるがゆえに、ＥＨＳ（Environment Health and Safety；環境、安全および衛生）によれば、問題のある欠点を有する。この問題に基づけば、例えばスプレーコーティングなどの被着技術は、プロセスとして推奨することはできない。なぜなら、その場合はプラントチャンバ全体が有毒物質で汚染されるかもしれないからである。その結果、このことは、多くの材料廃棄物と、設備の複雑な洗浄手順とを生じさせる。
本発明の課題は、容易に製造することができる、複数の変換素子または少なくとも1つの変換素子を提供することである。特に、本明細書に記載の方法は、ＥＨＳの観点から明らかに問題のない、量子ドット含有変換素子を製造することができる要素を被着させる技術の組み合わせを示す。
目下のところ発明者らの見解によれば、半導体チップ上のいわゆる「層被着」のための量子ドット含有変換素子は未知のものである。標準では、変換層は、スクリーン印刷かまたはスプレーコーティングプロセスを介して生成される。しかしながら、両プロセスは、部分的に有毒な量子ドットの処理には問題がある。なぜなら、一方では比較的高い毒性の廃棄物材料が生じ、他方では設備の複雑な洗浄が必要とされるからである。
この課題もしくはこれらの課題は、請求項１による複数の変換素子を製造する方法および請求項１８によるオプトエレクトロニクス構成素子によって解決される。この方法の好ましい実施形態および発展形態は、従属請求項の対象である。
少なくとも一実施形態では、複数の変換素子を製造する方法は、
Ａ）第１の支持体を用意するステップと、
Ｂ）第１の支持体上に、第１の被着技術を用いて、変換材料を含んだ第１の要素を被着させるステップと、
Ｃ）第１の支持体上に、第１の被着技術とは異なる圧縮成形を用いて、マトリックス材料内に導入されかつ変換材料とは異なる量子ドットを含んだ第２の要素を被着させるステップと、
Ｄ）ステップＣ）に基づき生成されたマトリックス材料を硬化させるステップと、
Ｅ）場合によっては、ステップＤ）の後に生成された配置構成を、第２の支持体上に再配置するステップと、
Ｆ）個別化させるステップと、を含み、それによって、複数の変換素子が生成される。
Ａ）第１の支持体を用意するステップと、
Ｂ）第１の支持体上に、第１の被着技術を用いて、変換材料を含んだ第１の要素を被着させるステップと、
Ｃ）第１の支持体上に、第１の被着技術とは異なる圧縮成形を用いて、マトリックス材料内に導入されかつ変換材料とは異なる量子ドットを含んだ第２の要素を被着させるステップと、
Ｄ）ステップＣ）に基づき生成されたマトリックス材料を硬化させるステップと、
Ｅ）場合によっては、ステップＤ）の後に生成された配置構成を、第２の支持体上に再配置するステップと、
Ｆ）個別化させるステップと、を含み、それによって、複数の変換素子が生成される。
少なくともある実施形態では、この方法は、第１の支持体を用意するステップＡ）を含んでいる。この第１の支持体は、フィルム、ラミネートまたはウェーハであってもよい。第１の支持体は、例えばサファイアから形成されてもよい。好ましくは、第１の支持体はポリテトラフルオロエチレンから形成され、フィルムとして構成される。このフィルムは、いわゆる「グリップ」リングによって取り囲まれてもよい。
好ましくは、本明細書に記載の方法は、方法ステップＡ）〜Ｆ）の順序で実施される。代替的に、これらの方法ステップ、特に方法ステップＢ）およびＣ）は、入れ替えてもよい。
少なくともある実施形態では、この方法は、第１の支持体上に、第１の被着技術を用いて、第１の要素を被着させるステップＢ）を含む。この第１の要素は、変換材料を含んでいる。特に、この変換材料は、さらなるマトリックス材料内に埋め込まれている。
少なくともある実施形態では、第１の被着技術は、スプレーコーティングである。このスプレーコーティング（英記:ｓｐｒａｙ ｃｏａｔｉｎｇ）は、当業者には十分周知であるので、ここでは詳細には説明しない。
代替的に、第１の被着技術は、電気泳動析出であってもよい。この電気泳動析出も、当業者には十分周知であるので、ここでは詳細には説明しない。
少なくともある実施形態では、第１の要素は、変換材料を含む。この変換材料は、例えば、半導体チップによって放射されたビームを、異なる波長を有するビームに変換するように構成されている。特に、変換材料として、あらゆる従来の変換材料または慣用的な蛍光体を使用することができる。例えば、以下のような変換材料を使用することができる。すなわち、
例えば（Ｃａ，Ｓｒ）ＡｌＳｉＮ３：Ｅｕ２＋，Ｓｒ（Ｃａ，Ｓｒ）Ｓｉ２Ａｌ２Ｎ６：Ｅｕ２＋，（Ｓｒ，Ｃａ）ＡｌＳｉＮ３＊Ｓｉ２Ｎ２Ｏ：Ｅｕ２＋，（Ｃａ，Ｂａ，Ｓｒ）２Ｓｉ５Ｎ８：Ｅｕ２＋，（Ｓｒ，Ｃａ）［ＬｉＡｌ３Ｎ４］：Ｅｕ２＋のようなユーロピウム添加窒化物、
例えばＸ＝ハロゲン、Ｎまたは二価元素、Ｄ＝三価または四価元素、およびＲＥ＝Ｌｕ３（Ａｌ１−ｘＧａｘ）５Ｏ１２：Ｃｅ３＋，Ｙ３（Ａｌ１−ｘＧａｘ）５Ｏ１２：Ｃｅ３＋のような希土類金属を含む（Ｇｄ，Ｌｕ，Ｔｂ，Ｙ）３（Ａｌ，Ｇａ，Ｄ）５（Ｏ，Ｘ）１２：ＲＥのようなガーネット、
例えば（Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａ）Ｓ：Ｅｕ２＋のようなユーロピウム添加硫化物、
ＬｉｘＭｙＬｎｚＳｉ１２−（ｍ＋ｎ）Ａｌ（ｍ＋ｎ）ＯｎＮ１６−ｎのようなサイアロン、
Ｓｉ６−ｘＡｌｚＯｙＮ８−ｙ：ＲＥｚのようなβ−サイアロン、
例えばＲＥ＝希土類金属およびＡＥ＝アルカリ土類金属を含むＡＥ２−ｘ−ａＲＥｘＥｕａＳｉＯ４−ｘＮｘ，ＡＥ２−ｘ−ａＲＥｘＥｕａＳｉ１−ｙＯ４−ｘ−２ｙＮｘのような窒化オルトケイ酸塩、
例えばＣａ８Ｍｇ（ＳｉＯ４）４Ｃｌ２：Ｅｕ２＋のようなクロロシリケート、
例えば（Ｓｒ，Ｂａ，Ｃａ，Ｍｇ）１０（ＰＯ４）６Ｃｌ２：Ｅｕ２＋のようなクロロホスフェート、
例えばＢａＭｇＡｌ１０Ｏ１７：Ｅｕ２＋のような酸化バリウム、マグネシアおよびアルミナ系からなるＢＡＭ発光材料、
例えばＭ５（ＰＯ４）３（Ｃｌ，Ｆ）：（Ｅｕ２＋，Ｓｂ３＋，Ｍｎ２＋）のようなハロゲン化リン酸塩、
例えば（Ｓｒ，Ｂａ，Ｃａ）５（ＰＯ４）３Ｃｌ：Ｅｕ２＋のようなＳＣＡＰ発光材料である。付加的に、欧州特許出願公開第２５４９３３０号明細書に記載されているような変換材料を使用することもできる。
例えば（Ｃａ，Ｓｒ）ＡｌＳｉＮ３：Ｅｕ２＋，Ｓｒ（Ｃａ，Ｓｒ）Ｓｉ２Ａｌ２Ｎ６：Ｅｕ２＋，（Ｓｒ，Ｃａ）ＡｌＳｉＮ３＊Ｓｉ２Ｎ２Ｏ：Ｅｕ２＋，（Ｃａ，Ｂａ，Ｓｒ）２Ｓｉ５Ｎ８：Ｅｕ２＋，（Ｓｒ，Ｃａ）［ＬｉＡｌ３Ｎ４］：Ｅｕ２＋のようなユーロピウム添加窒化物、
例えばＸ＝ハロゲン、Ｎまたは二価元素、Ｄ＝三価または四価元素、およびＲＥ＝Ｌｕ３（Ａｌ１−ｘＧａｘ）５Ｏ１２：Ｃｅ３＋，Ｙ３（Ａｌ１−ｘＧａｘ）５Ｏ１２：Ｃｅ３＋のような希土類金属を含む（Ｇｄ，Ｌｕ，Ｔｂ，Ｙ）３（Ａｌ，Ｇａ，Ｄ）５（Ｏ，Ｘ）１２：ＲＥのようなガーネット、
例えば（Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａ）Ｓ：Ｅｕ２＋のようなユーロピウム添加硫化物、
ＬｉｘＭｙＬｎｚＳｉ１２−（ｍ＋ｎ）Ａｌ（ｍ＋ｎ）ＯｎＮ１６−ｎのようなサイアロン、
Ｓｉ６−ｘＡｌｚＯｙＮ８−ｙ：ＲＥｚのようなβ−サイアロン、
例えばＲＥ＝希土類金属およびＡＥ＝アルカリ土類金属を含むＡＥ２−ｘ−ａＲＥｘＥｕａＳｉＯ４−ｘＮｘ，ＡＥ２−ｘ−ａＲＥｘＥｕａＳｉ１−ｙＯ４−ｘ−２ｙＮｘのような窒化オルトケイ酸塩、
例えばＣａ８Ｍｇ（ＳｉＯ４）４Ｃｌ２：Ｅｕ２＋のようなクロロシリケート、
例えば（Ｓｒ，Ｂａ，Ｃａ，Ｍｇ）１０（ＰＯ４）６Ｃｌ２：Ｅｕ２＋のようなクロロホスフェート、
例えばＢａＭｇＡｌ１０Ｏ１７：Ｅｕ２＋のような酸化バリウム、マグネシアおよびアルミナ系からなるＢＡＭ発光材料、
例えばＭ５（ＰＯ４）３（Ｃｌ，Ｆ）：（Ｅｕ２＋，Ｓｂ３＋，Ｍｎ２＋）のようなハロゲン化リン酸塩、
例えば（Ｓｒ，Ｂａ，Ｃａ）５（ＰＯ４）３Ｃｌ：Ｅｕ２＋のようなＳＣＡＰ発光材料である。付加的に、欧州特許出願公開第２５４９３３０号明細書に記載されているような変換材料を使用することもできる。
変換材料として、量子ドット（英記：ｑｕａｎｔｕｍ ｄｏｔｓ）も使用することができる。これらの量子ドットは、ナノ結晶材料の形態であってもよく、これらの材料は、
ＩＩ−ＶＩ族化合物のグループから、および／またはＩＩＩ−Ｖ族化合物のグループから、および／またはＩＶ−ＶＩ族化合物のグループから成り、かつ／または金属ナノ結晶を有している。好ましくは、変換材料に含まれる量子ドットに毒性はない。
ＩＩ−ＶＩ族化合物のグループから、および／またはＩＩＩ−Ｖ族化合物のグループから、および／またはＩＶ−ＶＩ族化合物のグループから成り、かつ／または金属ナノ結晶を有している。好ましくは、変換材料に含まれる量子ドットに毒性はない。
少なくともある実施形態では、この方法は、第１の支持体上に、圧縮成形を用いて、第２の要素を被着させるステップＣ）を含み、この場合、第２の要素は、量子ドットを有し、この場合、量子ドットは、マトリックス材料内に導入されている。第１の被着技術は、圧縮成形とは異なっている。
圧縮成形は、ここでは、および以下では、モールディング（英記：Ｍｏｌｄｉｎｇ）、特にコンプレッション・モールディング（英記：Ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ Ｍｏｌｄｉｎｇ）とも称する。この圧縮成形（Ｍｏｌｄｉｎｇ，Ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ Ｍｏｌｄｉｎｇ）は、当業者には十分周知であるので、ここでは詳細には説明しない。
少なくともある実施形態では、量子ドットは、毒性を有している。特に、量子ドットは、ＥＨＳによれば問題がある。
少なくともある実施形態では、量子ドットは、ＩｎＰ，ＣｄＳ，ＣｄＳｅ，ＩｎＧａＡｓ，ＧａＩｎＰおよびＣｕＩｎＳｅ２を含むグループから選択されている。量子ドットは、ビームを波長変換するように構成されている。量子ドットはそれぞれ表面を有する。波長変換量子ドットは、特に、感度の高い変換材料、つまり酸素、水分および／または酸性ガスに敏感な変換材料である。好ましくは、量子ドットは、ナノ粒子、すなわち、例えば少なくとも１ｎｍから最大で１０００ｎｍの間の粒径ｄ５０を有するｎｍ範囲のサイズを有する粒子である。
量子ドットは、波長変換特性を有する半導体コアを含む。特に、量子ドットのコアは、ＩＩ−ＩＶ族またはＩＩＩ−Ｖ族半導体を含むかまたはそれらからなる。例えば、半導体コアは、ＩｎＰ，ＣｄＳ，ＣｄＳｅ，ＩｎＧａＡｓ，ＧａＩｎＰおよびＣｕＩｎＳｅ２を含むグループから選択されている。半導体コアは、コーティングとして１つ以上の層によって被覆されてもよい。このコーティングは、有機および／または無機であってもよい。換言すれば、半導体コアは、その外面または表面がさらなる層によって完全にもしくはほぼ完全に覆われていてもよい。
半導体コアは、単結晶または多結晶の凝集体であってもよい。
少なくともある実施形態では、量子ドットは、３ｎｍ〜１０ｎｍ、特に好ましくは、３〜５ｎｍの平均直径を有する。量子ドットのサイズの変更により、変換すべきビームの波長を所期のように変更させることができ、それによって、各用途毎に相応に適合化させることができる。量子ドットは、球状にもしくは棒状に成形されてもよい。
量子ドットの第１の被覆層は、例えば硫化亜鉛、硫化カドミウムおよび／またはセレン化カドミウムのような例えば無機材料で形成されており、量子ドットポテンシャルの生成に用いられる。第１の被覆層および半導体コアは、露出すべき表面が少なくとも１つの第２の被覆層によってほぼ完全に取り囲まれていてもよい。特に、第１の被覆層は、無機配位子シェルであり、これは、特に、半導体コアを含めて１〜１０ｎｍの平均直径を有する。第２の被覆層は、例えばシスタミンまたはシステインのような例えば有機材料で形成されてもよく、これは時折、例えばマトリックス材料中および／または溶媒中の量子ドットの溶解性の改善に用いられる。この場合、第２の被覆層に基づいて、マトリックス材料中の量子ドットの空間的に均一な分布が改善される可能性がある。
マトリックス材料は、例えば、アクリレート、シリコーン、Ｏｒｍｏｃｅｒ（登録商標）のようなハイブリッド材料、例えばＯｒｍｏｃｌｅａｒ（登録商標）、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）、ポリジビニルシロキサンまたはそれらの混合物から形成されてもよい。
少なくともある実施形態では、量子ドットおよび変換材料は、それぞれ粒子として成形される。好ましくは、量子ドットのサイズは、変換材料粒子のサイズよりも小さい。換言すれば、変換材料の粒子は、量子ドットの粒子よりも大きい。例えば、変換材料は、１０μｍ〜２５μｍの間の粒径（ｄ５０）を有する。
少なくともある実施形態では、変換材料は、さらなる材料内に導入され、特に、その中で分散される。特に、第１の要素は、層として成形される。第１の要素は、３０μｍ〜３００μｍ、特に好ましくは６０μｍ〜１５０μｍの層厚さを有することができる。さらなるマトリックス材料のための材料として、本明細書に記載の材料をマトリックス材料のために使用することができ、さらにその逆の使用も可能である。特に、マトリックス材料および／またはさらなるマトリックス材料は、シリコーン、ポリシロキサン、エポキシドまたはハイブリッド材料から形成されるか、またはそれらからなる。
少なくともある実施形態では、第２の要素は、層として成形される。好ましくは、第２の要素は、１０μｍ〜１５０μｍ、特に好ましくは３０μｍ〜８０μｍの層厚さを有する。
少なくともある実施形態では、第１の要素内の変換材料および／または第２の要素内の量子ドットは、均一に分散している。代替的に、対応する要素内の量子ドットおよび／または変換材料は、濃度勾配に伴って分散している。
少なくともある実施形態では、ステップＣ）および／またはステップＤ）は、ステップＢ）の前に行われる。それにより、第２の要素は、第１の要素の前に第１の支持体上に生成される。好ましくは、第１の支持体が用意される。次いで、第１の要素上に第２の要素が被着される。その結果、第１の支持体、第２の要素および第１の要素から成る積層体が生じる。場合によっては、第１の要素と第１の支持体との間にさらなる層、例えば接着層が配置されてもよい。
少なくともある実施形態では、第１の要素および第２の要素は、積層体として形成されている。特に、この積層体は、第１の支持体もしくは第２の支持体、第１の要素および第２の要素の順序を有することができる。特に、これらの要素と、第１および／または第２の支持体は、相互に直接機械的に接触して配置されている。代替的に、積層体は、第１または第２の支持体、続いて第２の要素、続いて第１の要素の順序を有することもできる。ここでも、これらの要素と支持体は、好ましくは、相互に直接機械的に接触して配置されてもよい。
少なくともある実施形態では、変換素子は、固体照明の一部である。換言すれば、変換素子は一般照明のために使用される。
代替的に、変換素子は、バックライトの一部である。
好ましくは、少なくとも１つの変換素子が、半導体チップのビーム路内に配置されているかまたは導入されている。このビーム路は、１つ以上の半導体チップから形成されてもよい。
好ましくは、少なくとも１つの半導体チップは、ＩＲ、ＵＶおよび／または可視波長領域からなるビームを放射する。例えば、半導体チップは、青色波長領域からなるビームを放射する。
少なくともある実施形態では、半導体チップは無機発光ダイオードとして形成される。半導体チップは、半導体積層体を有することができる。この半導体積層体は、ＩＩＩ−Ｖ族半導体材料から成るかまたはＩＩＩ−Ｖ族半導体材料を含むことができる。半導体材料は、例えば、ＡｌｎＩｎ１−ｎ−ｍＧａｍＮのような窒化物化合物半導体材料かまたはＡｌｎＩｎ１−ｎ−ｍＧａｍＰのようなリン化物化合物半導体材料かまたはＡｌｎＩｎ１−ｎ−ｍＧａｍＡｓのようなヒ化物化合物半導体材料でもあり得る。この場合はそれぞれ０≦ｎ≦１、０≦ｍ≦１およびｎ＋ｍ≦１である。ここでは、半導体積層体は、ドーパントならびに付加的成分を有することができる。しかしながら、簡略化のために、たとえそれらが部分的に少量のさらなる物質によって置換および／または補充され得るものであったとしても、半導体積層体の結晶格子の主要な成分のみが、つまりＡｌ，Ａｓ，Ｇａ，Ｉｎ，ＮまたはＰのみが示されている。
半導体積層体は、１つ以上の活性層を含む。少なくとも１つの活性層は、電磁ビームを生成するように構成されている。例えば、活性層は、少なくとも１つのｐｎ接合部または少なくとも１つの量子井戸構造を含む。特に、活性層では、半導体部品の動作中に、紫外線、可視光および／または近赤外線ビームが発生する。活性層で発生したビームは主波長を有する。この主波長（英記：Ｐｅａｋ Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ）は、所定の動作中に最大ビーム強度が生成される波長である。
少なくともある実施形態では、ステップＦ）の前に、複数の半導体チップが導入される。この場合、ステップＥ）は行われない。第１の支持体として、好ましくはウェーハが使用される。換言すれば、ここではウェーハが第１の支持体として、例えばシリコンウェーハとして用意される。次いで、このウェーハ上および複数の半導体チップ上に、第１の要素が、第１の被着技術を用いて、例えばスプレーコーティングを用いて、被着される。次いで、量子ドットを含む第２の要素が、圧縮成形またはモールディングを用いて被着され得る。代替的に、第２の要素、次いで第１の要素を、ウェーハ上および半導体チップ上に被着させることもできる。さらなるステップでは、対応するマトリックス材料を硬化させることができる。場合によっては、それまでに生成された配置構成を、第２の支持体上に再配置すること、特に再積層することも可能である。次いで、個別化を行うことができ、それによって、それぞれ、本明細書に記載の変換素子を有する複数のオプトエレクトロニクス構成素子が生成される。
少なくともある実施形態では、第１の要素は、緑色波長領域からなるビームを放射し、第２の要素は、赤色波長領域からなるビームを放射する。代替的にまたは付加的に、少なくとも１つの半導体チップは、青色波長領域からなるビームを放射する。オプトエレクトロニクス構成素子は、完全変換または部分変換するように構成されてもよい。部分変換の場合では、例えば本明細書に記載の例では、オプトエレクトロニクス構成素子から白色混合光が放射され得る。
代替的に、第１の要素は、赤色波長領域からなるビームを放射することができ、第２の要素は、緑色波長領域からなるビームを放射することができる。次いで、半導体チップは、好ましくは、青色波長領域からなるビームを放射するように構成されている。
少なくともある実施形態では、この方法は、ステップＣ）に基づき生成されたマトリックス材料を硬化させるステップＤ）を含む。
マトリックス材料またはさらなるマトリックス材料は、被着後に硬化させることができる。この硬化は、例えば、温度上昇によって、またはＵＶ照射を用いて行うことができる。場合によっては、硬化用の開始剤を添加することも可能である。
少なくともある実施形態では、この方法は、ステップＤ）の後に生成された配置構成を、第２の支持体上に再配置するステップＥ）を含むことができる。例えば、この再配置は、再積層によって行うことができる。第１の支持体は、例えば、ラミネートまたはポリテトラフルオロエチレンからなるフィルムである。第２の支持体は、例えば、ソーイングフィルムであってもよい。第２の支持体上への再積層によって、生成された配置構成の接着が保証され、次いで、個別化が行われ得る。
少なくともある実施形態では、この方法は、個別化させるステップＦ）を含み、それによって、複数の変換素子が生成される。
少なくともある実施形態では、第１の支持体と第２の支持体は同一である。換言すれば、ここではステップＥ）は行われない。すなわち、第１の支持体は、少なくとも当該方法からの構成部品が個別化されるまでは残る。
本発明は、さらに、オプトエレクトロニクス構成素子に関する。本発明は、さらに、本明細書に記載の方法によって製造される変換素子に関する。ここでは、変換素子および複数の変換素子を生成する方法のすべての実施形態および定義は、変換素子に対しても、オプトエレクトロニクス構成素子に対しても当て嵌まり、その逆も同様である。
少なくともある実施形態では、オプトエレクトロニクス構成素子は、ビーム路内に少なくとも１つの変換素子を有する。この変換素子は、好ましくは、本明細書に記載の方法によって生成される。代替的にまたは付加的に、オプトエレクトロニクス構成素子は、複数の変換素子を有することもできる。付加的に、オプトエレクトロニクス構成素子は、本明細書に記載の１つ以上の半導体チップを有することができる。
本発明者らは、第１の被着技術が特にスプレーコーティングである、当該第１の被着技術を、圧縮成形と組み合わせることにより、毒性のある量子ドットが有利には僅かだけ半導体チップ上に被着される、低コストの方法を提供することができることを認識した。この方法では、好ましくはより大きな粒径を有する慣用的な変換材料を被着させるためのスプレーコーティングと、より小さな粒径を有する毒性のある量子ドットを被着させるための圧縮成形（コンプレッション・モールディング）との組み合わせが可能となる。
代替的に、コンプレッション・モールディングプロセスを介しても、例えば５μｍを超えるサイズの二酸化チタンや蛍光体のような従来の微粒子状粒子を処理することもできる。この目的のためにコンプレッション・モールディングは非常に適している。なぜなら、微細粒子を、偏析（いわゆるフローライン）なしでより僅かな層厚さ（約３０μｍ）に被着させることができるからである。ここでは、より大きな粒径とは、２０μｍを超える直径の粒径を意味する。またここでは、より小さな粒径とは、特に、２０μｍ未満の直径の粒径を意味する。
少なくともある実施形態では、慣用的な変換材料（蛍光体）は、スプレーコーティングによって一時的な支持体上に被着される。変換材料粒子は、この場合好ましくは、シリコーンまたはエポキシのようなさらなるマトリックス材料内に埋め込まれている。次いで、さらなるマトリックス材料を架橋する硬化ステップを行うことができる。次いで、量子ドット含有層を、圧縮成形を介して被着させることができる。量子ドットは、同様にマトリックス材料内に埋め込まれてもよい。次いで、マトリックス材料を硬化させて架橋させることができる。任意選択的に、量子ドットを含んださらなる層かまたは拡散層を、圧縮成形を用いて被着させることも可能である。この配置構成は、ソーイングフィルム上に再積層することができる。次いで、製造された多層シリコーンフィルムの個々の変換小板への個別化を行うことができる。
変換素子は、いわゆるピック・アンド・プレイスプロセスにおいて、少なくとも１つの半導体チップの表面に、または特にビーム主表面に被着させることができる。
少なくともある実施形態では、ステップＤ）の後で、例えば量子ドットを含むさらなる要素の被着が行われる。このさらなる要素の被着は、コンプレッション・モールディングのような圧縮成形を介して行うことができる。さらなる要素は、マトリックス材料内に埋め込まれた量子ドットを含むことができる。
少なくともある実施形態では、ステップＣ）の後で、ディフューザ特性を有するさらなる層を被着させることができる。これらの層は、拡散層とも称される。
少なくともある実施形態では、ステップＢ）が省かれる。換言すれば、第１の要素は第１の支持体上には被着されない。したがって、このことは、例えば粗い蛍光体を必要としない場合であってもよい。したがって、変換素子は、第１の要素は持たず、第２の要素を含む。したがって、換言すれば、変換素子は、変換材料は含まず、量子ドットのみを含む。
同様に、付加的な透明シリコーン層が成形または吹き付けられることも考えられる。このことは、機械的強度を高めることができる。
本明細書に記載の変換素子は、バックライティングプロセスやバックライトのために使用することができる。例えば、本明細書に記載の方法を介して、バックライト用の特殊な変換素子を製造することができる。この目的のために、例えば、従来の赤色発光変換材料を、スプレーコーティングを介して被着させることができる。ここでは、非常に狭帯域の発光蛍光体を使用することができる。次いで、緑色発光する量子ドットを含む第２の要素を、圧縮成形を介して赤色発光変換材料上に被着させることができる。続いて、この方法によって製造される好ましくは変換小板として成形される変換素子を製造することができる。これらの変換小板は、後で、非常に狭帯域の発光によって現れる（狭帯域赤色発光変換材料および狭帯域緑色量子ドット）。青色発光半導体チップも、非常に狭帯域に発光するので、非常に大きな色空間を展開させることができ、このことは、ＬＣＤディスプレイの非常に高い色飽和を可能にする。
少なくともある実施形態では、変換素子は、いわゆるソリッドステートライティング（略してＳＳＬ、固体照明のための英記）のために使用される。これは、発光ダイオード（ＬＥＤ）、有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）またはポリマー発光ダイオード（ＰＬＥＤ）ならびにレーザーダイオードを光源として使用するタイプの照明を指す。
ここでは、スプレーコーティングを介して被着される広帯域緑色発光変換材料と、圧縮成形を介して被着される狭帯域赤色発光量子ドットを含む第２の要素とからなる変換素子を生成することができる。これにより、狭帯域赤色発光量子ドットが特に赤外領域で発光しないので、高効率（Ｉｎ／Ｗ）が生成され得る。
量子ドットを含む第２の要素は、以下の理由から有利であり得る。すなわち、
−ナノメートルの範囲内でカプセル化されずに存在し、数ミクロン単位でカプセル化されて含まれる量子ドットの僅かな粒径によって、圧縮成形を介して、例えば３０μｍの非常に薄い層を、偏析の出現、いわゆるフローラインなしで、製造することができる。
−圧縮成形の際には、廃棄物材料が生じない。すなわち、これは、毒性のある材料残留物の処分が必要ないことを意味する。
−圧縮成形の際、成形キャビティは、ＥＴＦＥフィルムによって保護されている。ＥＴＦＥは、ここではエチレン−テトラフルオロエチレン共重合体を意味する。ＥＴＦＥは、良好な非粘着特性に基づき、コンプレッション・モールディングに対する保護フィルムに使用できるテフロン（ＰＴＦＥ）の誘導体である。保護フィルムは、モールディングツールと導入されたモールディング材料（例えば蛍光体を有するシリコーン）との間に置くことができ、モールディング材料がモールディングツールに接着し続けることを防止することができる。これにより、ツールが有毒な量子ドット含有材料によって汚染されることはない。これにより、複雑な洗浄プロセスは省かれる。この方法は、低コストで実施することができる。
−ナノメートルの範囲内でカプセル化されずに存在し、数ミクロン単位でカプセル化されて含まれる量子ドットの僅かな粒径によって、圧縮成形を介して、例えば３０μｍの非常に薄い層を、偏析の出現、いわゆるフローラインなしで、製造することができる。
−圧縮成形の際には、廃棄物材料が生じない。すなわち、これは、毒性のある材料残留物の処分が必要ないことを意味する。
−圧縮成形の際、成形キャビティは、ＥＴＦＥフィルムによって保護されている。ＥＴＦＥは、ここではエチレン−テトラフルオロエチレン共重合体を意味する。ＥＴＦＥは、良好な非粘着特性に基づき、コンプレッション・モールディングに対する保護フィルムに使用できるテフロン（ＰＴＦＥ）の誘導体である。保護フィルムは、モールディングツールと導入されたモールディング材料（例えば蛍光体を有するシリコーン）との間に置くことができ、モールディング材料がモールディングツールに接着し続けることを防止することができる。これにより、ツールが有毒な量子ドット含有材料によって汚染されることはない。これにより、複雑な洗浄プロセスは省かれる。この方法は、低コストで実施することができる。
さらなる利点、好ましい実施形態および発展形態は、以下で図面に結び付けて説明する実施例から明らかとなる。
実施例および図面において、同一の要素、同一種類の要素または同一作用の要素には、それぞれ同じ符号が付与され得る。図示の要素およびそれらの相互のサイズ比は、必ずしも縮尺通りとみなされるものではない。それどころか、個々の要素、たとえば層、構成部品、構成素子および領域は、図面を見易くするために、かつ／または理解し易くするために、誇張的に拡大して示される可能性もある。
図１Ａ〜１Ｄは、一実施形態による複数の変換素子を製造する方法を示す。図１Ａに示されているように、支持体、例えばポリテトラフルオロエチレンフィルムが提供される。この第１の支持体１上に、第１の要素２が被着される。この第１の要素２は、第１の被着技術３を用いて被着される。第１の被着技術３は、例えば、スプレーコーティングまたは電気泳動析出であってもよい。第１の要素２は、変換材料２１、特に従来の蛍光体を含むことができる（図１Ｂ）。変換材料２１は、さらなるマトリックス材料２２（ここでは図示せず）内で分散されてもよい。第１の要素２上には、第２の要素４を、圧縮成形を用いて生成することができる（図１Ｃ）。第２の要素４は、量子ドット６を含むことができる。この量子ドット６は、例えばシリコーンからなるマトリックス材料７内で分散されている。次いで、マトリックス材料７を、硬化させることができる。さらなるマトリックス材料が使用される場合でも、これはステップＣ）の前に硬化することができる。第１の要素２および第２の要素４は、それぞれ、例えば約３０μｍの層厚さを有する層として成形することができる。次いで、ステップＤ）で製造された配置構成の第２の支持体８（ここでは図示せず）への再積層を行うことができる。次いで、当該配置構成を個別化９することができ（図１Ｄ）、それによって、複数の変換素子が生成される。各変換素子は、例えば、第１または第２の支持体１，８と、第１の要素２と、第２の要素４とを含む。
図１Ａ〜１Ｄによる方法に対して代替的に、第１の要素２と第２の要素４とを入れ替えてもよい。換言すれば、最初に第２の要素４が第１の支持体１上に被着され、次いで、第１の要素２が、第２の要素４上に被着される（図２Ａ）。
したがって、図２Ｂによれば、個別化９の後に生成される複数の変換素子は、第１もしくは第２の支持体１，８と、次いで第２の要素４と、次いで第１の要素２と、からなる積層体を有する。第１もしくは第２の支持体１，８と、第２の要素４との間には、接着剤層が存在してもよい。この接着剤層は、例えばシリコーンを含むことができる。
図３Ａ〜３Ｈは、複数の変換素子を製造する方法を示す。
図３Ａのように、第１の支持体１が用意される。この第１の支持体１は、スプレーコーティングされるように構成されている。例えば、第１の支持体１は、グリップリング１２を有するポリテトラフルオロエチレンフィルムである。
次いで、図３Ｂのように、例えば変換材料２１を、スプレーコーティングを用いて被着させることができる。特に、この変換材料２１は、２０μｍを超える粒径を有する。それにより、均質な層を生成することができる。
次いで、図３Ｃに示されているように、圧縮成形は、第２の要素４を生成することができる。この第２の要素４は、特に、スプレーコーティングを用いて被着される従来の変換材料２１よりも小さな粒子直径を有する量子ドット６を含む。
次いで、図３Ｄのように、当該配置構成が、第２の支持体８上に、特にソーイングフィルム上に被着される。このソーイングフィルム８は接着性を高める。
次いで、図３Ｅのように、個別化が行われ、それによって、複数の変換素子が生成される。
その結果、第１の要素２と、第２の要素４とから成る積層体を含んだ少なくとも１つの変換素子が生じる。
この変換素子は、例えば、図３Ｇおよび図３Ｈに示されているように、半導体チップ１０上に被着させることができる。第１の要素２は、赤色波長領域からなるビームを放射するように構成されてもよい。したがって、第２の要素４は、好ましくは、緑色波長領域からなるビームを放射するように構成されている。代替的に、第１の要素２は、緑色波長領域からなるビームを放射するように構成されてもよく、第２の要素４は、赤色波長領域からなるビームを放射するように構成されてもよい。
好ましくは、半導体チップ１０または少なくとも１つの半導体チップ１０は、青色波長領域からなるビームを放射する。この配置構成は、プリント基板１１上に配置されてもよい。プリント基板１１と半導体チップ１０との間には、電気的な接触接続のためのコンタクト構造部１３が配置されてもよい。変換素子は、例えば、接着剤層を用いて、半導体チップ１０の主要ビーム出射面上に被着させてもよい。図３Ｇの構成素子は、バックライトのために使用することができる。図３Ｈの構成素子は、固体照明のために使用することができる。
図４Ａおよび図４Ｂは、一実施形態による方法ステップを示す。
ここでは、この方法は、ウェーハである第１の支持体１に適用される。このウェーハ１上には、複数の半導体チップ１０が配置されている。これらの半導体チップ１０は、例えば、マトリックス状に配置されている。
次いで、方法ステップＢ）が行われ、第１の要素２が被着される。次いで、方法ステップＣ）が行われ、第２の要素４が被着される（図４Ａ）。
次いで、図４Ｂに示されているように、個別化が行われ、それによって、支持体１，８、例えば第１の支持体もしくは第２の支持体を有し、当該支持体上に、第１の要素２内に完全に埋め込まれ、当該第１の要素２によってフレーム状に取り囲まれた半導体チップ１０が配置された、オプトエレクトロニクス構成素子１０００を製造することができる。次いで、第２の要素４が、第１の要素２に後付けされてもよい。
図面と結び付けて説明した実施例およびそれらの特徴は、さらに別の実施例によれば、そのような組合せが図面に明示されていないとしても、相互に組み合わせることも可能である。さらに、図面と結び付けて説明した実施例は、一般的な部分の説明による付加的特徴または代替的特徴を有することができる。
本発明は、実施例に基づく説明によって当該実施例に限定されるものではない。それどころか、本発明は、あらゆる新しい特徴ならびにそれらの特徴のあらゆる組合せを包含するものである。このことは、特に、特許請求の範囲における特徴のあらゆる組合せを包含するものであり、たとえ、それらの特徴もしくはそれらの組合せ自体が、明示的に特許請求の範囲や実施例に記載されていない場合であっても否定されるものではない。
本件特許出願は、独国特許出願第１０２０１７１１６２７９.８号の優先権を主張するものであり、それによって、当該独国特許出願の開示内容は、援用により本明細書に組み込まれる。
１０００ オプトエレクトロニクス構成素子
１００ 変換素子
１ 第１の支持体
２ 第１の要素
２１ 変換材料
２２ さらなるマトリックス材料
３ 第１の被着技術
４ 第２の要素
５ 圧縮成形
６ 量子ドット
７ マトリックス材料
８ 第２の支持体
９ 個別化
１０ １つ以上の半導体チップ
１１ プリント基板
１２ グリップリング
１３ 電気的コンタクト構造部
１００ 変換素子
１ 第１の支持体
２ 第１の要素
２１ 変換材料
２２ さらなるマトリックス材料
３ 第１の被着技術
４ 第２の要素
５ 圧縮成形
６ 量子ドット
７ マトリックス材料
８ 第２の支持体
９ 個別化
１０ １つ以上の半導体チップ
１１ プリント基板
１２ グリップリング
１３ 電気的コンタクト構造部
Claims (16)
- 複数の変換素子（１００）を製造する方法であって、
Ａ）第１の支持体（１）を用意するステップと、
Ｂ）前記第１の支持体（１）上に、第１の被着技術（３）を用いて、変換材料（２１）を含んだ第１の要素（２）を被着させるステップと、
Ｃ）前記第１の支持体（１）上に、前記第１の被着技術（３）とは異なる圧縮成形（５）を用いて、マトリックス材料（７）内に導入されかつ前記変換材料（２１）とは異なる量子ドット（６）を含んだ第２の要素（４）を被着させるステップと、
Ｄ）前記ステップＣ）に基づき生成された前記マトリックス材料（７）を硬化させるステップと、
Ｆ）個別化（９）して、複数の変換素子（１００）を生成するステップと、
を含み、
前記個別化（９）の後に、前記生成された変換素子（１００）を半導体チップ（１０）に被着する、方法。 - 前記第１の被着技術（３）は、スプレーコーティングまたは電気泳動析出である、請求項１記載の方法。
- 前記量子ドット（６）は、毒性を有する、請求項１または２記載の方法。
- 前記量子ドット（６）は、ＩｎＰ，ＣｄＳ，ＣｄＳｅ，ＩｎＧａＡｓ，ＧａＩｎＰおよびＣｕＩｎＳｅ２を含むグループから選択されている、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
- 前記変換材料（２１）は、さらなるマトリックス材料（２２）内に導入され、前記第１の要素（２）は、層として成形されている、請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
- 前記第２の要素（４）は、層として成形されている、請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。
- 前記ステップＣ）および／または前記ステップＤ）が、前記ステップＢ）の前に行われて、前記第２の要素（４）が、前記第１の要素（２）の前に前記第１の支持体（１）上に生成される、請求項１から６までのいずれか１項記載の方法。
- 前記第１の要素（２）および前記第２の要素（４）は、積層体を形成している、請求項１から７までのいずれか１項記載の方法。
- 前記マトリックス材料（７）および／または前記さらなるマトリックス材料（２２）は、シリコーン、ポリシロキサン、エポキシドまたはハイブリッド材料である、請求項５記載の方法。
- 前記第１の支持体（１）は、フィルム、ラミネートまたはウェーハである、請求項１から９までのいずれか１項記載の方法。
- 少なくとも１つの前記変換素子（１００）は、固体照明の一部である、請求項１から１０までのいずれか１項記載の方法。
- 少なくとも１つの前記変換素子（１００）は、バックライトの一部である、請求項１から１１までのいずれか１項記載の方法。
- 前記ステップＦ）の前に、前記ステップＤ）の後に生成された配置構成を第２の支持体（８）上に再配置するステップＥ）を実行する、請求項１から１２までのいずれか１項記載の方法。
- 前記第１の要素（２）は、緑色波長領域からなるビームを放射し、前記第２の要素（４）は、赤色波長領域からなるビームを放射し、あるいは前記第１の要素（２）が、赤色波長領域からなるビームを放射し、前記第２の要素（２）が緑色波長領域からなるビームを放射し、前記半導体チップ（１０）は、青色波長領域からなるビームを放射する、請求項１から１３までのいずれか１項記載の方法。
- 前記第２の支持体（８）は、ソーイングフィルムである、請求項１３記載の方法。
- 前記第１の支持体（１）と前記第２の支持体（８）とは、同一である、請求項１３記載の方法。
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