WO2013186365A1 - Optoelektronisches halbleiterbauelement - Google Patents

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WO2013186365A1
WO2013186365A1 PCT/EP2013/062384 EP2013062384W WO2013186365A1 WO 2013186365 A1 WO2013186365 A1 WO 2013186365A1 EP 2013062384 W EP2013062384 W EP 2013062384W WO 2013186365 A1 WO2013186365 A1 WO 2013186365A1
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optoelectronic semiconductor
matrix
semiconductor component
phosphor
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Angela Eberhardt
Christina Wille
Florian Peskoller
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Osram Gmbh
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Definitions

  • the invention is based on an optoelectronic semiconductor component according to the preamble of claim 1.
  • DE-A 10 11 8630 and DE-A 10 15 9544 disclose LEDs with glass components.
  • US-A-5965469 discloses a phosphate glass used as an adhesive.
  • DE-Az 10 2010 028 776.8 discloses metal phosphates as a matrix for conversion elements, it also being possible for a plurality of phosphors to be present in one layer.
  • An object of the present invention wherein an optoelectronic semiconductor device such as egg ⁇ ner LED or a laser diode according to the preamble of claim 1.
  • an optoelectronic semiconductor device such as egg ⁇ ner LED or a laser diode according to the preamble of claim 1.
  • the present invention solves the problem of an LED or La ⁇ serdiode or other optoelectronic semiconductor Specify component that is still temperature and weather resistant even at high power density. This increases the service life of such devices Le ⁇ . An increase in efficiency results if at the same time the heat dissipation in the conversion element is improved, since the phosphor is then damaged less during operation by temperature. Last ⁇ res is all the more pronounced, the higher the power is dense ⁇ and the greater the resultant heat through the conversion by the so-called. Stokes shift. In addition, in the case of conversion elements having at least two phosphors, as a rule, efficiency is also lost by remission. The following is a LED is used as Demonstrationsob ⁇ ject example mostly.
  • Organic components than the fluorescent surrounding matrix typically have a poor thermal conductivity and tem ⁇ peraturability.
  • silicone which holds the rule of a continuous load of about 160 ° C and at a short-term load (a few seconds) of about 300 ° C.
  • the temperature resistance of polyvinyl lycarbonat, which often is used as a matrix for remote applications is ⁇ sets, is more even lower and possibly leading to Verfor ⁇ regulations. As the LEDs become more powerful, these temperature resistances will soon be insufficient. In order to avoid that at high load the efficiency, due to a discoloration of the matrix or a damage of the
  • Phosphorus reduced by the insufficient heat dissipation it requires other matrix materials. These are known as inorganic materials such as glass, ceramics or a Mi ⁇ research it. At the same time, the efficiency of the LED can be further improved by reducing the remission. This is solved by using the different fluorescent Fe are not present as a mixture in a matrix, but separated from each other.
  • this is achieved by using at least one metal phosphate as the matrix for at least one phosphor, or different components of metal phosphate are used.
  • a further conversion element connects directly, which consists of the same or a different metal phosphate matrix or different components of metal phosphate, in which another phosphor is embedded.
  • the metal phosphate matrix is formed by condensation (chemical setting) of a metal phosphate solution. As the temperature increases, cross-linking progresses, increasing the viscosity of the metal phosphate matrix.
  • the metal phosphate is preferably lead-free.
  • Ide ⁇ allay is the condensed matrix addition even blow ⁇ poor.
  • Amorphous or predominantly amorphous means that the matrix itself has no or max. 25 vol.%, Ideally max. Has 10% by volume of crystalline phases. The embedded crystalline phosphor powder is excluded from this.
  • Additives and / or radiation-absorbing elements and / or components which change the refractive index can be added to the metal phosphate. These components are preferably inorganic.
  • the metal phosphate may be playing, be aluminum phosphate, yttrium phosphate, alkaline earth ⁇ phosphate, phosphates III at ⁇ . Main group and the Maugrup ⁇ pen or other rare earth phosphates or mixtures thereof.
  • additives such as SiO 2 , for example in the form of Aerosil, pyrogenic Al 2 O 3 or TIO 2 etc. may also be added to the phosphate. These additives are preferably added as nano-powder, in particular their average particle size is in the range 1 to 40 nm.
  • Ground glasses such as hard glasses or ground glass solder may also be added. These additives may optionally increase the thermal conductivity again, serve as a reflector or scattering agent, or adjust the thermal expansion coefficient. However, it is preferred to use only additives that absorb no or no significant levels of radiation as this would reduce the efficiency.
  • the condensed metal phosphate is inorganic, optically stable and moisture resistant, and is preferably produced at low temperatures. Therefore, this Me ⁇ tallphosphat is suitable for embedding of phosphors, so as a matrix for a conversion element.
  • the proportion of additives ⁇ can be so high that the condensed Metallphos ⁇ phat primarily serves as a binder.
  • metal phosphates With such metal phosphates leads to increased efficiency and increased life.
  • at least one component of metal phosphate is preferably used, optionally with additives that are scattering or changing the refractive index.
  • a He ⁇ heightening the thermal conductivity, improving the temperature stability and possibly an increased refractive index is obtained.
  • the phosphor can be applied with such a matrix on various docu ⁇ gene (chip, glass, ceramics, various metals, etc.) without an additional adhesive to be used, which is an advantage over conversion ceramics, which are also temperature and weather resistant and a good Have thermal conductivity.
  • a part or all of the added components may be selected such that it chemically rea ⁇ yaw with the metal phosphate, and modify it thereby.
  • Matrix is embedded based on a metal phosphate and fi xed ⁇ and at least a second phosphor powder in a second matrix based on a metal phosphate is a ⁇ embedded and fixed.
  • Optoelectronic semiconductor component according to claim 1 characterized in that the second matrix is arranged above or next to the first matrix.
  • Optoelectronic semiconductor component according to claim 3 characterized in that the metal phosphate at most
  • Optoelectronic semiconductor component according to claim 1 characterized in that the metal phosphate as the main ⁇ component phosphate.
  • Optoelectronic semiconductor component according to claim 6 characterized in that the metal phosphate is aluminum phosphate ⁇ or predominantly contains.
  • the optoelectronic semiconductor device according to claim 3 characterized in that the metal phosphate holds 5 to 90 mol .-% and in particular 10 P205 ⁇ ent to 90 mol .-% A1203.
  • Optoelectronic semiconductor component according to Claim 3 characterized in that the metal phosphate contains 50 to 90 mol% P205 and in particular 10 to 50 mol% A1203.
  • the optoelectronic semiconductor device according to claim 1 characterized in that the metal phosphate anorgani ⁇ specific components are added which increase the refractive index and / or serve as fillers and / or act as optical shearing filter and / or scatter and / or increase heat dissipation and / or the thermal Ausdehnungsverhal ⁇ th to the substrate adjust optoelectronic semiconductor device according to claim 2, characterized in that the first loading with fluorescent aufschlagte matrix layer and further with fluorescent be ⁇ aufschlagte matrix layers follow each other directly without mixing, said matrix layers preferably with either the Semiconductor component are connected or spaced therefrom.
  • Optoelectronic semiconductor component according to one of the preceding claims characterized in that at least one metal phosphate in combination with the zuge ⁇ impaired phosphor powder has a curing temperature of at most 400 ° C, preferably at most 350 ° C.
  • Optoelectronic semiconductor component characterized in that at least one metal phosphate solution has a pH of 1 to 7.
  • FIG. 1 an LED with vertically stacked conversion element
  • Figure 2 shows another embodiment of an LED with ver ⁇ tically layered conversion element
  • Figure 3 shows another embodiment of an LED with ver ⁇ tically layered conversion element
  • Figure 4 shows an embodiment of an LED with horizontally layered conversion element
  • Figure 5 shows another embodiment of a semiconductor device in plan view.
  • FIG. 1 shows an optoelectronic semiconductor component 19 in section.
  • the core is a primary UV-emitting chip 20, which is connected to electrical terminals 21, 22, which are formed as a ladder frame parts. One of the parts is connected via a bonding wire 23 to the chip.
  • the chip 20 is seated directly on a wide first terminal 21 which is arranged on the surface of a rectangular basic body or sub ⁇ strate 25 made of glass (preferably quartz, hard, soft glass or glass solder) or ceramic.
  • On the base an annular attachment 26 is placed, which leaves a recess in its interior.
  • the inner inclined wall 27 of the attachment is shaped as a reflector.
  • the attachment is connected to the base body and the leadframe formed by the terminals by an adhesive 30.
  • the attachment 26 is also made of glass.
  • the recess within the reflector has a conversion element.
  • the recess is filled with a first layer 31 based on a matrix of metal phosphate 31 which contains a first converting phosphor. closes.
  • a second layer 32 and a third layer 33 is disposed on the basis of a metal phosphate, keeping the respective second and third phosphors ⁇ ent.
  • the LED is in particular with a cover (not constitute provided ⁇ ) is completed, and thus hermetically sealed.
  • a metal phosphate which contains at most 1 mol .-% of oxides of alkali and halogen elements.
  • the conversion element has, generally speaking, each egg ne thin layer which has as a matrix metal ⁇ condensed phosphate.
  • Embedded therein are one or more phosphors, as known per se. Typical phosphors are YAG: Ce, Sione, nitrides or also orthosilicates or calsines. In particular, they serve to generate white light with the aid of a blue or UV-emitting chip.
  • the phosphor particles are protected by the condensed metal phosphate bonded only to each other (reduct ⁇ exercise) or from this enclosed (protective layer). In the latter case, the thus passivated phosphor particles can also be present in another condensed metal phosphate matrix.
  • the conversion element can be applied directly to the chip 2 as a so-called thin-film element .
  • It is a first layer 5 of a metal phosphate, in the red-emitting nitride type M2Si5N8: Eu is embedded applied di rectly ⁇ on the chip.
  • a second layer 6, following the first layer, has a similar matrix of this metal phosphate, and there is a green emitting garnet A3B5012: Eu embedded as a phosphor.
  • A is preferably Y or Lu alone or in combination
  • B is preferably Al or Ga alone or in combination.
  • the metal phosphate is low in alkali and halogen. It is preferably free from alkali and halogen.
  • FIG. 3 shows an optoelectronic semiconductor component 35 with a conversion element 37, which is spaced apart from the chip 36, from two layers in accordance with the remote phosphor concept. The first
  • Phosphor 38 (schematically) is here embedded in a first metal phosphate matrix 39 as the first layer or enclosed by it.
  • the second phosphor 138 (schematically) is here embedded in a second metal phosphate matrix 139 as a second layer or enclosed by it. Both matrices are adapted to the respective phosphor. Therefore, their matrix material is different from one another, for example as regards the content of A1203 or a possible addition of Y203.
  • the conversion element 37 also has a substrate 40.
  • the phosphors 38 and 138 are preferably facing the chip 36 ⁇ and therefore arranged in the beam direction in front of the substrate.
  • the substrate 40 is transparent, for example made of glass.
  • the conversion element 37 consisting of conversion layers and substrate, homogenizes the radiation of the secondary radiation.
  • the phosphor-free side 41 of the substrate can be additionally roughened.
  • the phosphors 38 and / or 138 may be selectively applied inhomogeneous in the horizontal direction, so that a good color homogeneity over all angles ensures and the phosphor is optimally utilized.
  • the remote phosphor solution described here can also be used if the radiation of several chips is to be converted together. In the latter case, also phosphor-free locations can be present on the substrate.
  • FIG. 4 shows a further exemplary embodiment of an LED with a horizontal layering of the conversion element.
  • the conversion element is applied directly to the chip 2. It has at least two, and preferably up to four different ⁇ like strips of layers.
  • a first type of layer 8 is a metal phosphate, to which a nitride is admixed as the phosphor.
  • a second type of layer 9 is a metal phosphate to which a garnet is added as a phosphor.
  • the horizonta ⁇ le arrangement may be strip-like or even checkered like a grid, see Figure 5 in plan view, or even diamond-shaped like a hunter fence.
  • Phosphates have a high temperature and a good moisture resistance. have. When embedding phosphor, it is important that it is not damaged by a chemical reaction with the solution or resulting reaction products or by excessive temperatures.
  • the metal phosphate may be in amorphous, semi-crystalline or crystalline form. It is preferably predominantly amorphous.
  • the presented system comprising at least two layers of condensed metal phosphate serves in each case as an inorganic matrix of a conversion element, into which in each case the
  • the condensed metal phosphate matrix is preferably colorless and amorphous or predominantly amorphous, with good transmission in the UV up to the visible spectral range.
  • the here presented conversion element of at least two layers with a matrix of condensed metal phosphate reduces the remission and also allows a simpler process management by a separate processing
  • conversion elements for LEDs are currently used with organic components such as e.g. Made of silicone, embedded in the phosphor powder. These organic components have a bad one
  • Bonding is not necessary, as one layer can be applied directly to the other or to the substrate and so the composite automatically over the condensing
  • Metal phosphate matrix is done.
  • a substrate such.
  • the matrix will then be at higher
  • the next step is the coating with a second, similar or different, matrix solution and a second phosphor powder, such as a nitride corresponding to the first coating. Due to the temperature sensitivity of these phosphors a temperature of 350 ° C should not be exceeded for the condensation of this matrix as possible. An upper temperature limit for the condensate ⁇ sation of 350 ° C has also an advantageous effect on the effi ciency of embedded ⁇ garnet phosphors. The same applies if the order is made on the chip, since it can be damaged at higher temperatures. if the
  • Layers are condensed at different temperatures, it is advantageous if the first layer is condensed at the highest temperature and the temperature then decreases with each further layer.
  • the metal phosphate matrix in the temperature treatment As the metal phosphate matrix in the temperature treatment
  • the maximum applicable condensation Tempe ⁇ temperature Ta (max) is given by the temperature stability of a ⁇ zubettenden phosphor powder and through which the substrates on which they are applied.
  • the minimal erfor ⁇ derliche condensation temperature Ta (min) depends on the composition from the matrix which must be condensed at least in so far as that a certain weatherability is contraindicated ⁇ ben. This condensation is preferably carried out at temperatures of 200-550 ° C, especially at 200-350 ° C. It is advantageous if the condensation temperature is above the later use temperature in order to obtain a certain temperature and optical stability.
  • the color location is controlled by the concentration and / or the layer thickness of the at least two layers.
  • solids in powder form nanoparticles, scattering particles, glass powder
  • solutions of other soluble metal salts may additionally be added to any suspension containing such a metal phosphate solution.
  • the invention finally relates to conversion elements (both of the type CLC and of the remote type) with at least two
  • Layers of inorganic matrix in each of which at least one type of phosphor is embedded in powder form.
  • the second layer is vertical or relative to the first one
  • the invention can also be used, for example, for conversion elements of the RGB type.
  • the primary radiation is UV
  • Metal phosphate can be accommodated, or two of the three
  • Phosphor powders may be embedded together in a layer of condensed metal phosphate.
  • the blue portion is not through
  • a condensed metal phosphate can be added to each matrix solution.
  • the various properties of a condensed metal phosphate are achieved by its composition - in the example of aluminum phosphate, it is essentially the A1203-P205-H20 ratio - and the degree of crosslinking in the temperature treatment of the respective phosphor can be adjusted. As a result, however, properties such as transparency, turbidity, opacity can also be regulated.
  • the metal phosphate may also contain glassy or ceramic fillers that do not melt with it.
  • the proportion of the phosphor powder possibly with filler may be so high that the condensed metal phosphate acts only as quasi Bin ⁇ DEMITTEL / adhesive that holds the particles, similar to a ceramic adhesive.
  • functional components may be added to the metal phosphate solution.
  • the thermal expansion coefficient of the condensed Me ⁇ tallphosphates is preferably at least 5.0 x 10 ⁇ 6 / K. In the case of using different compositions care should be taken that the thermal expansion coefficient of the different metal phosphates does not differ too much (preferably at most 5 to 10%).
  • the condensed metal phosphate as the main component includes phosphate, which in various modifications, ie as orthophosphate, Triphosphate, metaphosphate, polyphosphate, ultraphosphate, as well as in all possible intermediates can be present.
  • Example 1
  • the mixing ratio is about 1: 1 by weight.
  • the suspension is applied to a substrate, for example a glass substrate, as a layer about 50 ⁇ m thick. Afterwards drying takes place at low temperatures ( ⁇ 150 ° C), if necessary additionally at reduced ambient pressure. The condensation takes place in an oxidizing Atmo- sphere in the temperature range of 150-800 ° C, preferably 300- 550 ° C for a few seconds to one hour.
  • the pure Mo ⁇ noaluminiumphosphataims shows after drying at ⁇ 100 ° C in the DTA (differential thermal analysis) following stages: Above 250 ° C, the triphosphate (AIH2P3O10) and above 500 ° C aluminum metaphosphate (A1 (P03) 3) or long-chain and ring-shaped Aluminum polyphosphates [ ⁇ 1 ( ⁇ 3) 3] ⁇ ⁇ In combi nation ⁇ with the phosphor YAG: Ce are shifted the reactions at lower temperatures.
  • the condensation reactions and products can be affected by glass forming additives in the monoaluminum phosphate solution. For example, zinc, magnesium or boron-containing additives.
  • the first already condensed layer is then coated with a second layer containing a second phosphor in powder form, for example a nitride, and treated analogously to the first conversion layer.
  • a second layer containing a second phosphor in powder form for example a nitride
  • a chip surface is coated with phosphor powder such as LuAG: Ce.
  • the powder layer is then treated with an aqueous solution of metal phosphate according to example 1 sprühbeschich ⁇ tet. Following the drying at low Tempe ⁇ temperatures ( ⁇ 150 ° C) is carried out if necessary in addition at reduced ambient pressure ⁇ . The condensation takes place in an oxidizing atmosphere in the temperature range of 200-350 ° C for a few seconds to one hour.
  • the first already condensed layer is now coated with a second phosphor powder such as a nitride. This powder layer is treated with an aqueous solu ⁇ solution of a metal phosphate z.
  • Garnet phosphor powder and e.g. an aqueous monoaluminum phosphate solution according to Example 1, as a web
  • Example 2 Prior to coating the substrate to bes ⁇ sera wetting may be irradiated with UV. Subsequently, a further suspension is applied as a web to the narrow side of this web. This consists of an aqueous solution a metal phosphate z. As monoaluminum phosphate A1 (H 2 P0 4 ) 3, which additionally contains other phosphates or oxides such as Mg and / or Zn and / or B, and another phosphor powder such as a nitride. This layer is dried and condensed according to Example 2. In this way, for example, color wheels for laser applications can be produced, which are described in more detail in the simultaneous German patent application with the official file number 10 2012 210195.0. In a similar way and in different combinations, other substrates with vertical and horizontal layers can be produced.
  • the solids content of phosphor in the matrix can be varied depending on the desired color location of the LED. It is also possible to produce conversion elements that convert the light emitted by the chip to 100%. In this case, the solid content of the phosphor is so high that the metal phosphate is ⁇ sat surrounds the phosphor particles with a thin layer and thereby glued together. The latter is limited to the use of eg RGB (see Figure 4).
  • Solids in powder form and / or solutions of other soluble metal salts may also be added to the suspensions according to the examples.
  • Solids are preferably nanopowders such as fumed silica (eg Aerosil from Evonik) and / or pyrogenic Al 2 O 3 (eg Aeroxide Alu C from Evonik) and / or pyrogenic T1O 2 (eg Aeroperl P25 from Evonik), which then also be enclosed by the matrix.
  • the expansion coefficient can be adjusted by these particles, but materials with negative expansion coefficients, such as, for example, can also be used for this purpose serve ß-Eukryptit.
  • an addition of another soluble metal salt to the suspension is, for example, the addition of an aqueous solution of yttrium acetate or yttrium phosphate.
  • the components react with each other and the metal phosphate is modified by ⁇ .
  • the refractive index, such as yttrium oxide or tellurium may also as soluble metal salts or be added as oxide particles.
  • phosphates includes explicitly in particular Mo no-phosphate as the water-soluble A1 (H 2 P0 4) 3, as well as what ⁇ serunlösliches poly-phosphate as [ ⁇ 1 ( ⁇ 3) 3] ⁇ ⁇ Depending proces ⁇ processing can thereby meta- Phosphate such as (A1 (P03) 3) or tertiary phosphate such as A1P04 arise.
  • the conversion element from the chip should be beabstan ⁇ det (remote phosphor solution)
  • a transparent substrate eg glass with a high
  • the invention particularly relates to power LEDs with a power of at least 5 W, particularly min ⁇ least 10 W power.
  • the advantages of such an inorganic matrix of the conversion element come into their own as the inorganic matrix is thermally interpreting ⁇ Lich stable and better heat conduction has, com- pared with an organic matrix, and therefore lower
  • the phosphor powder with the same composition of the matrix, can be embedded at lower temperatures if the matrix has been produced from a condensed metal phosphate solution. As already mentioned, this leads to less damage to the phosphor during embedding.
  • the amorphous or predominantly amorphous metal phosphates prepared by condensation are structurally indistinguishable from those made from the melt of a batch unless a glass having the corresponding amorphous portions in this composition is above it Way not possible.
  • an un ⁇ ter Kunststofferies behavior seen during the embedding of the phosphor powder As glasses become less viscous as the temperature increases, the viscosity of the metal phosphate solutions increases with increasing temperature. This behavior is due to the fact that with increasing temperature more and more water or carbon-containing reaction products split off, which leads to an increasing cross-linking of the matrix.
  • this layer does not soften again with the same temperature treatment, which is why, for a multilayer conversion element, the same matrix and condensation temperature can be used for the different layers without mixing.
  • the same matrix and condensation temperature can be used for the different layers without mixing.
  • An amorphous or predominantly amorphous glass matrix which was prepared from the melt of a batch, this would lead to a mixing, at least in the region of the interfaces, as both layers soften again.
  • Characterized can advantageously be differentsetsbei ⁇ play a multilayer conversion element realisie ⁇ ren.
  • One example is explained with the two phosphors, the stacked (vertical ranking) are. ⁇ hnli ⁇ ches applies well in horizontal, lattice-like or strip-like succession.
  • the same metal phosphate solution is used for the matrix.
  • the direct connection there is no ⁇ be hired by the adhesive refraction differences or deviant thermal behavior.
  • ceramic platelets must always be glued extra, which on the one hand consuming, for ⁇ on problematic in terms of thermal stability.
  • Organic matrices are not usable at high LED power anyway because of the lack of thermal capacity. But also glasses as matrices are problematic because when applying the second layer always the first layer is softened again when the same glass is used. We ⁇ gene of the contrary behavior of condensed metal phosphates relative to the molten glass, these are ideal for vertical as well as horizontal layers geeig ⁇ net.
  • a metal phosphate can be tailor-made for each ⁇ a phosphor ⁇ the. This is not possible when incorporating several phosphors in a single matrix, it must always be sought a compromise in the selection of the metal phosphate. However, a tailor-made solution makes it possible to make a targeted adjustment.
  • Orientation points for an adaptation are, for example, the pH of a solution of the metal phosphate. This is u.a. Depending on the phosphate content and is usually in a range between 1 and 7.
  • the introduced phosphors are different sensitive to exposure to acidic environment. Orthosilicates are particularly sensitive, but garnets and nitrides are less sensitive. Other
  • Phosphors are usually between these extremes.
  • a second important aspect is the Aushärtungstempe ⁇ temperature Ta of the metal phosphate, or the temperature at which condenses the metal phosphate in combination with the phosphor and, if necessary, other additives, and form polymeric phosphates.
  • Ta the temperature at which condenses the metal phosphate in combination with the phosphor and, if necessary, other additives, and form polymeric phosphates.
  • the elimination of water is completed or substantially completed.
  • a maximum Ta of 350 ° C is recommended because these phosphors, especially red emitting nitride phosphors of the type M2Si5N8: Eu or calsine variants, are relatively temperature sensitive.
  • a metal phosphate is recommended, with a Ta of Hoechsmann ⁇ least 400 ° C is obtained.
  • Limit in this sense is an upper limit of Ta of 350 ° C.
  • amorphous or predominantly amorphous, transparent and colorless matrix of Aluminiumphos ⁇ phat proved, which forms by condensation at elevated temperature from a mono-aluminum phosphate solution.
  • oxidation-sensitive phosphors such as Nitri ⁇ de showed after investing in such matrices place at temperatures ⁇ 350 ° C no noticeable loss of efficiency. Moisture tests of such patterns have shown that these matrices react neutrally and thus indicate good setting and chemical resistance.
  • the required temperature Ta for the setting reaction can be further reduced if other metal phosphates or oxides such as Zn, Mg and / or B are included in the solution.
  • Typical layer thicknesses of the individual layers of the conversion element are from 10 to 200 ⁇ m, depending on the particle size distribution of the embedded phosphor powder, the mixing ratio of solid to matrix and the desired degree of conversion.
  • the first layer and the second layer do not necessarily have to be the same thickness.
  • the result is usually a mixing ratio of 1: 9 parts by weight for red to green / yellow, depending on the density and efficiency of the phosphors and on the emission spectra.
  • the achievable with different phosphors tailor ⁇ -made efficiency thus also depends on the condensation Tempe ⁇ ture ( "firing temperature").
  • Garnets are generally less sensitive than nitride phosphors such as nitrido- silicates or calsins.
  • a matrix based on mono-aluminum phosphate with an firing temperature of 200 to 350 ° C is also a good candidate for embedding garnet phosphors, as these phosphors are less sensitive to temperature, so the "firing temperature" in this Fall up to 400 ° C lie.
  • the loss of efficiency compared to the starting powder can then be limited to a few percent.
  • Phosphors are embedded in two different matrices, for example, to gradually adjust the refractive index or the expansion coefficient or scattering properties.
  • a particular advantage of the invention described here it's also conversion elements by embedding luminescent ⁇ materials in powder form can be prepared that are not or only expensive to manufacture than ceramic. Even such a conversion ceramics could be coated in this way with at least one further conversion layer.
  • the process described here is also much simpler and more cost-effective and can optionally be combined with this.
  • Typical particle size distributions of the phosphor powders are a D50 between 5-50 ⁇ m, in particular 5-30 ⁇ m.
  • the mixing ratio of solution to solid is
  • the concentration of the metal phosphate solution is typically between 5-60% by weight, ideally 40-60% by weight.
  • the condensed matrix is preferably low in pores.
  • the conversion element forms an at least two-layer converter.
  • the metal phosphate matrix is formed by condensation (chemical bonding) of a metal phosphate solution.
  • the metal phosphate is preferably colorless and predominantly amorphous, ie more than 50%.
  • Y203 for example, can be hold ent ⁇ .
  • the invention is not limited to this by the description with reference to the embodiments, but includes any novel feature and any combination of features contained in the claims, even if this feature or this combination itself is not explicitly given in the claims or embodiments.

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Abstract

Das optoelektronische Halbleiterbauelement verwendet ein Konversionselement mit einer Matrix aus Metallphosphat. Dieses ist im wesentlichen frei von alkalihaltigen und halogenhaltigen Bestandteilen. Dabei werden zwei Schichten verwendet, die unterschiedliche Leuchtstoffe enthalten.

Description

Beschreibung
Optoelektronisches Halbleiterbauelement
Technisches Gebiet
Die Erfindung geht aus von einem optoelektronischen Halblei- terbauelement gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Stand der Technik
Die DE-A 10 11 8630 und DE-A 10 15 9544 offenbaren LEDs mit Glasbauteilen. Die US-A 5965469 offenbart ein Phosphatglas, das als Kleber verwendet wird.
DE-Az 10 2010 028 776.8 offenbart Metallphosphate als Matrix für Konversionselemente, wobei in einer Schicht auch mehrere Leuchtstoffe enthalten sein können.
Darstellung der Erfindung
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, bei einem optoelektronischen Halbleiterbauelement wie beispielsweise ei¬ ner LED oder einer Laserdiode gemäß dem Oberbegriff des An- spruchs 1 eine besonders effiziente, temperatur- und witte¬ rungsbeständige Lösung für ein Konversionselement mit mindes¬ tens zwei Leuchtstoffen anzugeben.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1. Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.
Die vorliegende Erfindung löst das Problem eine LED oder La¬ serdiode oder auch ein anderes optoelektronisches Halbleiter- bauelement anzugeben, das auch bei hoher Leistungsdichte noch temperatur- und witterungsbeständig ist. Dies erhöht die Le¬ bensdauer von derartigen Bauelementen. Eine Effizienzerhöhung ergibt sich, wenn gleichzeitig auch die Wärmeableitung im Konversionselement verbessert wird, da der Leuchtstoff dann im Betrieb weniger durch Temperatur geschädigt wird. Letzte¬ res ist um so deutlicher ausgeprägt, je höher die Leistungs¬ dichte und je größer die durch die Konversion entstehende Wärme durch die sog. Stokes-Verschiebung ist. Zusätzlich wird bei Konversionselementen mit mindestens zwei Leuchtstoffen in der Regel auch Effizienz durch Remission eingebüsst. Im folgenden wird exemplarisch meist eine LED als Demonstrationsob¬ jekt herangezogen.
Organische Komponenten als den Leuchtstoff umgebende Matrix haben typisch eine schlechte Wärmeleitfähigkeit und sind tem¬ peraturempfindlich. Für die CLC-Konversion wird oftmals Silikon eingesetzt, das der Regel einer Dauerbelastung von ca. 160°C und bei einer kurzfristigen Belastung (wenige Sekunden) von ca. 300°C Stand hält. Die Temperaturbelastbarkeit von Po- lycarbonat, das oft als Matrix für Remote-Anwendungen einge¬ setzt wird, ist eher noch niedriger und führt ggf. zu Verfor¬ mungen. Da die LEDs immer leistungsstärker werden, reichen diese Temperaturbeständigkeiten bald nicht mehr aus. Um zu vermeiden, dass sich bei hoher Belastung die Effizienz, auf- grund einer Verfärbung der Matrix oder einer Schädigung des
Leuchtstoffs durch die ungenügende Wärmeableitung verringert, bedarf es anderer Matrix-Materialien. Dies sind bekannterweise anorganische Materialien wie Glas, Keramik bzw. eine Mi¬ schung davon. Gleichzeitig kann die Effizienz der LED noch- mals verbessert werden, indem die Remission verringert wird. Dies wird dadurch gelöst, indem die verschiedenen Leuchtstof- fe nicht als Mischung in einer Matrix vorliegen, sondern voneinander getrennt.
Erfindungsgemäß wird dies dadurch gelöst indem man mindestens ein Metallphosphat als Matrix verwendet für mindestens einen Leuchtstoff, bzw. es werden unterschiedliche Komponenten aus Metallphosphat verwendet. Über oder neben diesem Konversions¬ element schließt ein weiteres Konversionselement direkt an, das aus der gleichen oder einer unterschiedlichen Metallphosphat-Matrix bzw. unterschiedlichen Komponenten aus Metall- phosphat besteht, in die ein anderer Leuchtstoff eingebettet ist. Dadurch wird die Remission verringert und gleichzeitig eine verbesserte Wärmeleitfähigkeit sowie eine bessere Tempe¬ ratur- und Witterungsbeständigkeit des Konversionselementes erreicht. Die Metallphosphat-Matrix bildet sich durch Konden- sation (chemische Abbindung) einer Metallphosphatlösung. Mit zunehmender Temperatur schreitet die Vernetzung immer weiter fort, wodurch die Viskosität der Metallphosphat-Matrix zunimmt. Das in die Metallphosphat-Lösung zugegebene Leucht¬ stoffpulver wird von dieser bereits bei Raumtemperatur be- netzt und dann bei Temperaturerhöhung von der kondensierenden Matrix umschlossen. Im Unterschied dazu muss ein Metallphos¬ phatglas, das über ein Gemenge erschmolzen wurde, durch stei¬ gende Temperatur erst so weit erweicht werden, dass es nie¬ derviskos genug ist, um das Leuchtstoffpulver zu benetzen und zu umschließen. Dies erfordert bei vergleichbarer Zusammensetzung in der Regel deutlich höhere Temperaturen als eine Einbettung über Kondensation einer Metallphosphatlösung und kann den Leuchtstoff bereits schädigen, insbesondere nitridi¬ sche Leuchtstoffe, die meist bei Temperaturen oberhalb von 350°C schon deutlich an Effizienz verlieren. Der Begriff Metallphosphat steht deshalb im weiteren Textverlauf für die kondensierende bzw. kondensierte Matrix bzw. deren Ausgangs¬ lösung .
Das Metallphosphat ist vorzugsweise bleifrei. In einer beson¬ deren Ausgestaltung ist das kondensierte Metallphosphat auch farblos und amorph bzw. überwiegend amorph, transparent im
UV-VIS und im wesentlichen auch alkali- und halogenfrei. Ide¬ alerweise ist die kondensierte Matrix zusätzlich auch blasen¬ arm. Amorph bzw. überwiegend amorph bedeutet, dass die Matrix selbst keine bzw. max . 25 Vol-%, idealerweise max . 10 Vol-% an kristallinen Phasenanteilen besitzt. Das eingebettete kristalline Leuchtstoffpulver ist hiervon ausgenommen.
Dem Metallphosphat können Zusatzstoffe und/oder strahlungsab- sorbierende Elemente und/oder den Brechungsindex verändernde Komponenten zugesetzt sein. Diese Komponenten sind vorzugs- weise anorganisch. Bei dem Metallphosphat kann es sich bei¬ spielsweise um Aluminiumphosphat, Yttriumphosphat, Erdalkali¬ phosphat, Phosphate der III. Hauptgruppe sowie der Nebengrup¬ pen oder auch um andere Seltenerdphosphate oder aber Mischungen daraus handeln. Dem Phosphat können insbesondere auch Zu- satzstoffe, wie Si02, z.B. in Form von Aerosil, pyrogenes AI2O3 oder T1O2 etc. zugesetzt sein. Bevorzugt werden diese Zusatzstoffe als Nano-Pulver zugesetzt, insbesondere ist ihre mittlere Partikelgröße im Bereich 1 bis 40 nm angesiedelt. Auch gemahlene Gläser, wie beispielsweise Hartgläser oder ge- mahlenes Glaslot kann zugesetzt sein. Diese Zusätze können ggf. die Wärmeleitfähigkeit nochmals erhöhen, als Reflektor oder Streumittel dienen, oder auch den thermischen Ausdehnungskoeffizienten anpassen. Bevorzugt werden jedoch nur Zusätze verwendet, die keine oder keine wesentlichen Anteile an Strahlung absorbieren, da dies die Effizienz verringern würde . Weitere Komponenten dienen gezielt dazu, den Brechungsindex zu verändern, insbesondere Tellur- oder Bismuth-haltige Ver¬ bindungen. Das kondensierte Metallphosphat ist anorganisch, optisch stabil und feuchtebeständig, und wird bevorzugt bei niedrigen Temperaturen hergestellt. Deshalb ist dieses Me¬ tallphosphat zur Einbettung von Leuchtstoffen geeignet, also als Matrix für ein Konversionselement. Der Anteil an Zusatz¬ stoffen kann so hoch sein, dass das kondensierte Metallphos¬ phat vornehmlich als Bindemittel dient.
Die Anwendung von Konversionselementen mit derartigen Metallphosphaten führt zu gesteigerter Effizienz und erhöhter Lebensdauer. Dazu wird bevorzugt mindestens eine Komponente aus Metallphosphat verwendet, ggf. mit Zusatzstoffen die streuend oder den Brechungsindex verändernd sind. Damit wird eine Er¬ höhung der thermischen Leitfähigkeit, eine Verbesserung der Temperaturstabilität sowie ggf. ein erhöhter Brechungsindex erzielt. Damit lässt sich eine ideale Anpassung als Matrix für den darin eingebetteten Leuchtstoff erreichen. Der Leuchtstoff kann mit einer solchen Matrix direkt auf verschiedene Unterla¬ gen (Chip, Glas, Keramik, diverse Metalle u.a.) aufgebracht werden ohne einen zusätzlichen Kleber zu verwenden, was einen Vorteil gegenüber Konversionskeramiken darstellt, die ebenfalls temperatur- und witterungsbeständig sind und eine gute Wärmeleitfähigkeit besitzen.
Ein Teil oder auch alle zugegebenen Komponenten können derart ausgewählt sein, dass sie mit dem Metallphosphat chemisch rea¬ gieren und es dadurch modifizieren.
Wesentliche Merkmale der Erfindung in Form einer numerierten Aufzählung sind: Optoelektronisches Halbleiterbauelement mit einer Licht¬ quelle, die primäre Strahlung emittiert, einem Gehäuse und elektrischen Anschlüssen, wobei dem optoelektronischen Halbleiterbauelement ein Konversionselement vorgeschaltet ist auf Basis einer Matrix sowie mindestens zwei Leucht¬ stoffen, wobei die Matrix Metallphosphat beinhaltet und bevorzugt aus Metallphosphat besteht, wobei die Leucht¬ stoffe primäre Strahlung teilweise oder vollständig kon¬ vertieren, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein erstes Leuchtstoffpulver in einer ersten anorganischen
Matrix auf Basis eines Metallphosphats eingebettet und fi¬ xiert ist und mindestens ein zweites Leuchtstoffpulver in einer zweiten Matrix auf Basis eines Metallphosphats ein¬ gebettet und fixiert ist. Optoelektronisches Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Matrix über oder neben der ersten Matrix angeordnet ist. Optoelektronisches Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallphosphat im wesent- liehen alkalifrei und halogenfrei ist, Optoelektronisches Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallphosphat im wesent¬ lichen transparent im sichtbaren Spektralbereich ist. Optoelektronisches Halbleiterbauelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallphosphat höchstens
1 Mol.-% an Alkalioxiden und halogenhaltigen Bestandteilen enthält .
Optoelektronisches Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallphosphat als Haupt¬ komponente Phosphat enthält. Optoelektronisches Halbleiterbauelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallphosphat Aluminium¬ phosphat ist oder überwiegend enthält. Optoelektronisches Halbleiterbauelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Metallphos¬ phate enthalten sind, wobei Aluminiumphosphat die Haupt¬ komponente mit mehr als 50 Gew.-% ist. Optoelektronisches Halbleiterbauelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallphosphat 5 bis 90 Mol.-% P205 und insbesondere 10 bis 90 Mol.-% A1203 ent¬ hält . Optoelektronisches Halbleiterbauelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallphosphat 50 bis 90 Mol.-% P205 und insbesondere 10 bis 50 Mol.-% A1203 ent- hält. Optoelektronisches Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dem Metallphosphat anorgani¬ sche Komponenten zugesetzt sind, die den Brechungsindex erhöhen und/oder als Füllstoffe dienen und/oder als opti- scher Filter wirken und/oder streuen und/oder die Wärmeableitung erhöhen und/oder das thermische Ausdehnungsverhal¬ ten an das Substrat anpassen Optoelektronisches Halbleiterbauelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste mit Leuchtstoff be- aufschlagte Matrixschicht und weitere mit Leuchtstoff be¬ aufschlagte Matrixschichten direkt aufeinanderfolgen ohne sich zu vermischen, wobei diese Matrixschichten bevorzugt entweder mit dem Halbleiterbauelement verbunden sind oder von diesem beabstandet sind. 13. Optoelektronisches Halbleiterbauelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrix mindestens einer Schicht aus einem anderen Metallphosphat hergestellt ist als die anderen Konversionsschichten. 14. Optoelektronisches Halbleiterbauelement nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallphosphat- Matrizen an den jeweils eingebetteten Leuchtstoff ange- passt sind.
15. Optoelektronisches Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Metallphosphat in Kombination mit dem zuge¬ hörigen Leuchtstoffpulver eine Aushärtungstemperatur von höchstens 400°C, bevorzugt höchstens 350°C, aufweist.
16. Optoelektronisches Halbleiterbauelement nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Metall¬ phosphat in Kombination mit dem Leuchtstoffpulver eine Aushärtungstemperatur von höchstens 300 °C, bevorzugt höchstens 220°C aufweist.
17. Optoelektronisches Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Metallphosphat als Lösung einen pH-Wert von 1 bis 7 aufweist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Im Folgenden soll die Erfindung anhand von mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Die Figuren zeigen: Figur 1 eine LED mit vertikal geschichtetem Konversionsele¬ ment ; Figur 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer LED mit ver¬ tikal geschichtetem Konversionselement;
Figur 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer LED mit ver¬ tikal geschichtetem Konversionselement; Figur 4 ein Ausführungsbeispiel einer LED mit horizontal geschichtetem Konversionselement ;
Figur 5 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Halbleiter- Bauelements in Draufsicht.
Bevorzugte Ausführung der Erfindung
Figur 1 zeigt ein optoelektronisches Halbleiter-Bauelement 19 im Schnitt. Kernstück ist ein primär im UV emittierender Chip 20, der mit elektrischen Anschlüssen 21, 22 verbunden ist, die als Leiterrahmenteile ausgebildet sind. Eines der Teile ist über einen Bonddraht 23 mit dem Chip verbunden. Der Chip 20 sitzt direkt auf einem breiten ersten Anschluss 21, der auf der Oberfläche eines rechteckigen Grundkörpers oder Sub¬ strats 25 aus Glas (bevorzugt Quarz-, Hart-, Weichglas oder Glaslot) oder aus Keramik angeordnet ist. Auf dem Grundkörper ist ein ringförmiger Aufsatz 26 aufgesetzt, der eine Ausnehmung in seinem Innern frei lässt. Die innere schräge Wand 27 des Aufsatzes ist als Reflektor geformt. Der Aufsatz ist mit dem Grundkörper und dem Leiterrahmen, der von den Anschlüssen gebildet wird, durch einen Kleber 30 verbunden. Der Aufsatz 26 ist ebenfalls aus Glas gefertigt.
Die Ausnehmung innerhalb des Reflektors weist ein Konversi- onselement auf. Zu diesem Zweck ist die Ausnehmung mit einer ersten Schicht 31 auf Basis einer Matrix aus Metallphosphat 31 gefüllt, die einen ersten konvertierenden Leuchtstoff ein- schließt. Über der ersten Schicht ist eine zweite Schicht 32 und eine dritte Schicht 33 auf Basis eines Metallphosphats angeordnet, die jeweils zweite und dritte Leuchtstoffe ent¬ halten . Die LED ist insbesondere mit einer Abdeckscheibe (nicht dar¬ gestellt) abgeschlossen und somit hermetisch versiegelt.
Bevorzugt wird ein Metallphosphat verwendet, das höchstens 1 Mol.-% an Oxiden von Alkali- und Halogenelementen enthält. Das Konversionselement weist allgemein gesprochen jeweils ei- ne dünne Schicht auf, die als Matrix kondensiertes Metall¬ phosphat besitzt. Darin eingebettet sind ein oder mehrere Leuchtstoffe, wie an sich bekannt. Typische Leuchtstoffe sind YAG:Ce, Sione, Nitride oder auch Orthosilikate oder Calsine. Sie dienen insbesondere dazu, mit Hilfe eines blau oder UV emittierenden Chips weißes Licht zu erzeugen. In einer besonderen Ausführungsform sind die Leuchtstoffpartikel durch das kondensierte Metallphosphat nur miteinander verklebt (Verkle¬ bung) oder von diesem umschlossen (Schutzschicht) . In letzterem Fall können die so passivierten Leuchtstoffpartikel auch in einer anderen kondensierten Metallphosphat-Matrix vorliegen .
Gemäß Figur 2 kann das Konversionselement als sog. Dünn¬ schichtelement direkt auf den Chip 2 appliziert sein. Dabei ist eine erste Schicht 5 eines Metallphosphats, in das rot emittierendes Nitrid vom Typ M2Si5N8:Eu eingebettet ist, di¬ rekt auf den Chip 2 appliziert. Eine zweite Schicht 6, die auf die erste Schicht folgt, hat eine gleichartige Matrix dieses Metallphosphats und dort ist ein grün emittierender Granat A3B5012:Eu als Leuchtstoff eingebettet. A ist bevor- zugt Y oder Lu allein oder in Kombination, B ist bevorzugt AI oder Ga allein oder in Kombination. Das Metallphosphat ist alkali- und halogenarm. Bevorzugt ist es alkali- und halogenfrei. Das heißt, dass diese Elemente nicht bewusst zugegeben werden und allenfalls von Verunreinigungen der eingesetzten Vormaterialien herrühren. Die Kon- zentrationen an Alkalimetallen und Halogenen sind deshalb unwesentlich und liegen jeweils unter 1 Mol-%. Dadurch werden ionenbehaftete Komponenten reduziert oder ganz vermieden. Insbesondere gilt dies für ionenbildende Elemente wie Na, Cl, K und F. Diese können nämlich bei Feuchte in die LED gelan- gen, dadurch die Kontakte angreifen und auch die Ladungsdichten am Chip beeinträchtigen.
Figur 3 zeigt ein optoelektronisches Halbleiter-Bauelement 35 mit zum Chip 36 beabstandeten Konversionselement 37 aus zwei Schichten gemäß dem Remote-Phosphor-Konzept. Der erste
Leuchtstoff 38 (schematisch) ist hier in einer ersten Metallphosphat-Matrix 39 als erste Schicht eingebettet bzw. von dieser umschlossen. Der zweite Leuchtstoff 138 (schematisch) ist hier in einer zweiten Metallphosphat-Matrix 139 als zweite Schicht eingebettet bzw. von dieser umschlossen. Beide Matrizen sind dem jeweiligen Leuchtstoff angepasst. Daher ist ihr Matrix-Material voneinander verschieden, beispielsweise was den Gehalt an A1203 betrifft oder einen möglichen Zusatz an Y203.
Das Konversionselement 37 weist außerdem ein Substrat 40 auf. Die Leuchtstoffe 38 und 138 sind vorzugsweise dem Chip 36 zu¬ gewandt und daher in Strahlrichtung vor dem Substrat angeordnet. Das Substrat 40 ist transparent, beispielsweise aus Glas. Vorzugsweise homogenisiert das Konversionselement 37, bestehend aus Konversionsschichten und Substrat, die Abstrah- lung der sekundären Strahlung. Hierfür kann die leuchtstofffreie Seite 41 des Substrats zusätzlich aufgerauht werden. Zusätzlich können die Leuchtstoffe 38 und/oder 138 in horizontaler Richtung gezielt inhomogen aufgebracht sein, so dass eine gute Farbhomogenität über alle Winkel gewährleistet und der Leuchtstoff optimal ausgenutzt wird. Die hier beschriebe- ne Remote-Phosphor-Lösung ist auch dann anwendbar, wenn die Strahlung mehrerer Chips gemeinsam konvertiert werden soll. In letzterem Fall können auch leuchtstofffreie Stellen auf dem Substrat vorhanden sein.
Figur 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer LED mit horizontaler Schichtung des Konversionselements. Dabei ist das Konversionselement direkt auf den Chip 2 aufgebracht. Es weist mindestens zwei und bevorzugt bis zu vier verschieden¬ artige Streifen an Schichten auf. Eine erste Art Schicht 8 ist ein Metallphosphat, dem ein Nitrid als Leuchtstoff zuge- mischt ist. Eine zweite Art Schicht 9 ist ein Metallphosphat, dem ein Granat als Leuchtstoff zugemischt ist. Die horizonta¬ le Anordnung kann streifenartig sein oder auch schachbrettartig wie ein Gitter, siehe Figur 5 in Draufsicht, oder auch rautenförmig wie ein Jägerzaun. Die Herstellung derartiger Metallphosphate erfolgt über das bekannte Sol-Gel-Verfahren aus einem löslichen Metallphosphat oder aus dem Reaktionsprodukt von einem Alkoxid mit Phosphor¬ säure oder aus dem Reaktionsprodukt von Metallsalz oder Me¬ tallhydroxid mit Phosphorsäure. Das Lösemittel wird zunächst durch Trocknung entfernt. Durch eine anschließende Behandlung bei höheren Temperaturen werden Wasser bzw. kohlenstoffhaltige Komponenten abgespalten und das Metallphosphat liegt dann in polymerisierter Form vor. Bevorzugt wird Aluminium-, Yttrium- oder auch eines der eingangs genannten Metallphosphate der anderen Seltenerdphosphate verwendet, weil derartige
Phosphate eine hohe Temperatur- und eine gute Feuchtebestän- digkeit aufweisen. Bei der Einbettung von Leuchtstoff ist es wichtig, dass dieser nicht durch eine chemische Reaktion mit der Lösung oder entstehenden Reaktionsprodukten bzw. durch zu hohe Temperaturen geschädigt wird. Das Metallphosphat kann in amorpher, teilkristalliner oder kristalliner Form vorliegen. Bevorzugt ist es überwiegend amorph .
Das vorgestellte System aus mindestens zwei Schichten von kondensiertem Metallphosphat dient dabei jeweils als anorga- nische Matrix eines Konversionselements, in das jeweils das
Pulver von mindestens einem Leuchtstoff eingebettet ist, ins¬ besondere direkt auf dem Chip oder als Remote-Phosphor- Konzept. Die kondensierte Metallphosphat-Matrix ist bevorzugt farblos und amorph bzw. überwiegend amorph, mit guter Trans- mission im UV bis hin zum sichtbaren Spektralbereich.
Das hier vorgestellte Konversionselement aus mindestens zwei Schichten mit einer Matrix aus kondensiertem Metallphosphat verringert die Remission und ermöglicht zudem eine einfachere Prozessführung durch eine getrennte Verarbeitung
verschiedener Leuchtstofftypen . Gleichzeitig besitzt es eine verbesserte Temperatur- und Witterungsbeständigkeit, eine verbesserte Wärmeabfuhr und ist beständig im UV. Es eignet sich deshalb als Konversionselement für eine LED (CLC und remote) und führt aufgrund der besseren Eigenschaften zu einer Effizienz- und/oder Lebensdauererhöhung.
Wie Eingangs erwähnt, werden derzeit Konversionselemente für LEDs meist mit organischen Komponenten wie z.B. Silikon hergestellt, in die Leuchtstoffpulver eingebettet sind. Diese organischen Komponenten haben eine schlechte
Wärmeleitfähigkeit und sind zudem relativ temperaturempfindlich. Dies führt zu einer geringeren
Effizienz der LED wenn sich die Matrix-Materialien durch zu hohe Temperaturen verfärben oder der Leuchtstoff durch zu hohe Temperaturen geschädigt wird. Zu der Temperaturerhöhung trägt großteils die durch die Stokes-Verschiebung erzeugte Wärme bei, die über die Matrix vom Leuchtstoff abgeführt werden muss. Zur Erzielung eines bestimmten Farbortes wurden bisher in der Regel Pulver verschiedener Leuchtstofftypen homogen in z.B. einer Silikonmatrix miteinander vermischt. Bei der Konversion führt dies zu einer gewissen Remission.
Letztere kann reduziert werden, wenn Konversionskeramiken mit verschiedenen Lichtfarben eingesetzt werden. Nachteilig ist allerdings, dass diese miteinander verklebt werden müssen. Ferner ist auch eine seperate Verklebung auf dem Chip,
Substrat oder Gehäuse erforderlich.
Bei der Verwendung von kondensiertem Metallphosphat als
Matrix ist es möglich den Vorteil der besseren
Wärmeableitung, der geringeren Remission und des direkten Verbundes miteinander zu verbinden. D.h. die verschiedenen Leuchtstofftypen, z.B. rot und gelb emittierende (bezogen auf die Peakemission) getrennt voneinander aufzubringen, wodurch die Remission verringert wird. Dies ist z.B. mehrschichtig in vertikaler oder horizontaler Richtung möglich. Eine
Verklebung ist nicht erforderlich, da eine Schicht direkt auf die andere bzw. auf das Substrat aufgebracht werden kann und so der Verbund automatisch über die kondensierende
Metallphosphat-Matrix erfolgt. Hierzu wird ein Substrat wie z. B. der Chip, ein Glas, eine Keramik oder ein Metall mit einer Suspension aus der Matrix-Lösung und einem darin enthaltenen Leuchtstoffpulver, z.B. YAG:Ce, beschichtet und dann getrocknet. Die Matrix wird dann bei höheren
Temperaturen von typisch 200 bis 550°C kondensiert. Abhängig von der Matrix-Zusammensetzung erfolgt dabei die Wasserabspaltung zumindest teilweise bis hin zu vollständig. Die Abspaltung von ggf. entstehenden kohlenstoffhaltigen Reaktionsprodukten ist in der Regel abgeschlossen. Im
nächsten Schritt erfolgt die Beschichtung mit einer zweiten, gleichartigen oder verschiedenartigen, Matrix-Lösung und einem zweiten Leuchtstoffpulver, z.B. einem Nitrid entsprechend der ersten Beschichtung. Aufgrund der Temperaturempfindlichkeit dieser Leuchtstoffe sollte für die Kondensation dieser Matrix eine Temperatur von 350°C möglichst nicht überschritten werden. Eine obere Temperaturgrenze für die Konden¬ sation von 350°C wirkt sich auch vorteilhaft auf die Effi¬ zienz von eingebetteten Granatleuchtstoffen aus. Gleiches gilt, wenn der Auftrag auf dem Chip erfolgt, da dieser bei höheren Temperaturen geschädigt werden kann. Falls die
Schichten bei unterschiedlichen Temperaturen kondensiert werden, ist es vorteilhaft, wenn die erste Schicht bei der höchsten Temperatur kondensiert wird und die Temperatur dann mit jeder weiteren Schicht abnimmt. Da die Metallphosphat-Matrix bei der Temperaturbehandlung
Wasser bzw. kohlenstoffhaltige Komponenten abspaltet und sich ihre Struktur dabei zunehmend vernetzt, vermischen sich die beiden Schichten nicht, selbst wenn die Matrizen die gleiche Zusammensetzung besitzen und bei der gleichen Temperatur kon- densiert wurden. Die maximal anzuwendende Kondensationstempe¬ ratur Ta (max) ist durch die Temperaturbeständigkeit des ein¬ zubettenden Leuchtstoffpulvers und durch die der Substrate, auf denen sie aufgebracht sind, gegeben. Die minimal erfor¬ derliche Kondensationstemperatur Ta (min) hängt von der Zusam- mensetzung der Matrix ab, die zumindest soweit kondensiert werden muss, dass eine gewisse Witterungsbeständigkeit gege¬ ben ist. Vorzugsweise erfolgt diese Kondensation bei Tempera- turen von 200-550°C, insbesondere bei 200-350°C. Vorteilhaft ist es, wenn die Kondensationstemperatur über der späteren Einsatztemperatur liegt, um eine gewisse Temperatur- und optische Stabilität zu erhalten. Eine derartige Einbettung ermöglicht das Erreichen verschie¬ dener Farborte ohne vorher entsprechende Leuchtstoffmischun- gen herstellen zu müssen. Der Farbort wird vielmehr über die Konzentration und/oder die Schichtdicke der mindestens zwei Schichten gesteuert. Optional können jeder Suspension mit ei- ner derartigen Metallphosphatlösung zusätzlich auch Feststoffe in Pulverform (Nanopartikel , Streupartikel, Glaspulver) und/oder Lösungen anderer löslicher Metallsalze zugesetzt werden .
Die Erfindung betrifft letztlich Konversionselemente (sowohl vom Typ CLC als auch vom Typ remote) mit mindestens zwei
Schichten von anorganischer Matrix, in der jeweils mindestens eine Leuchtstofftype in Pulverform eingebettet ist. Die zweite Schicht ist relativ zur ersten vertikal oder
horizontal angeordnet. Dadurch verringert sich die Remission, gleichzeitig ist der Farbort besser gezielt ansteuerbar. Die Erfindung kann beispielsweise auch für Konversionselemente vom Typ RGB eingesetzt werden. In diesem Fall ist die primäre Strahlung UV, es werden drei Leuchtstoffe zur
Konversion eingesetzt, deren Peakemission im blauen, grünen und roten Spektralbereich liegen. Die drei Leuchtstoffpulver können in separaten Schichten aus kondensiertem
Metallphosphat untergebracht werden, oder zwei der drei
Leuchtstoffpulver können zusammen in einer Schicht aus kondensiertem Metallphosphat eingebettet sein. In einer besonderen Ausgestaltung wird der Blauanteil nicht durch
Konversion erzeugt, sondern durch einen blau emittierenden Chip oder Laser. In diesem Fall sind für RGB nur noch zwei weitere Leuchtstoffe erforderlich.
Optional sind auch weitere Partikel (Nanopulver, Streuer, Glaspulver usw.) jeder Matrixlösung zusetzbar. Dabei ist anzumerken, dass die verschiedenen Eigenschaften eines kondensierten Metallphosphats dadurch erreicht werden, dass dessen Zusammensetzung -- beim Beispiel für Aluminiumphosphat ist es im wesentlichen das A1203-P205-H20-Verhältnis -- sowie der Grad der Vernetzung bei der Temperaturbehandlung an den jeweiligen Leuchtstoff angepasst werden können. Dadurch sind aber auch Eigenschaften wie Transparenz, Trübung, Opazität regelbar.
Im Prinzip kann das Metallphosphat auch glasige oder keramische Füllstoffe enthalten, die nicht mit aufschmelzen. Der Anteil an Leuchtstoffpulver ggf. mit Füllstoff kann so hoch sein, dass das kondensierte Metallphosphat quasi nur als Bin¬ demittel/Klebstoff fungiert, der die Partikel zusammenhält, ähnlich einem keramischen Kleber. Je nach Einsatz und Anforderung können der Metallphosphatlösung funktionelle Komponen- ten zugesetzt sein.
Der thermische Ausdehnungskoeffizient des kondensierten Me¬ tallphosphates liegt bevorzugt bei mindestens 5,0 x 10~6/K. Im Fall der Verwendung unterschiedlicher Zusammensetzungen sollte darauf geachtet werden, dass der thermische Ausdeh- nungskoeffizient der verschiedenen Metallphosphate nicht zu sehr voneinander abweicht (bevorzugt höchstens 5 bis 10 %) .
In einer besonderen Ausführungsform beinhaltet das kondensierte Metallphosphat als Hauptkomponente Phosphat, das in verschiedenen Modifikationen, d. h. als Orthophosphat , Triphosphat, Metaphosphat , Polyphosphat , Ultraphosphat, sowie in allen möglichen Zwischenstufen vorliegen kann.
Im folgenden sollen noch konkrete Ausführungsbeispiele für die Herstellung derartiger Schichten näher erläutert werden. Beispiel 1:
In einer wässrigen Lösung eines Metallphosphats z. B. Mono- aluminiumphosphat A1(H2P04)3 (z.B. 50 Gewichts-% FFB716 von Budenheim in Wasser gelöst) wird Leuchtstoff, z.B. YAG:Ce, in Pulverform suspendiert. Das Mischungsverhältnis liegt bei ca. 1 : 1 bezogen auf das Gewicht. Die Suspension wird auf ein Substrat, z.B. ein Glassubstrat, als Schicht ca. 50 ym dick aufgetragen. Im Anschluss erfolgt die Trocknung bei niedrigen Temperaturen (< 150 °C) ggf. zusätzlich bei vermindertem Umgebungsdruck. Die Kondensation erfolgt in oxidierender Atmo- Sphäre im Temperaturbereich von 150-800°C vorzugsweise 300- 550°C für wenige Sekunden bis zu einer Stunde. Die reine Mo¬ noaluminiumphosphatlösung zeigt nach einer Trocknung bei < 100°C in der DTA (Differentialthermoanalyse) folgende Stufen: Oberhalb 250°C entsteht das Triphosphat (AIH2P3O10) und ober- halb 500°C Aluminiummetaphosphat (A1(P03)3) bzw. langkettige und ringförmige Aluminiumpolyphosphate [Α1(Ρθ3)3]η· In Kombi¬ nation mit dem Leuchtstoff YAG:Ce sind die Reaktionen zu niedrigeren Temperaturen hin verschoben. Die Kondensationsreaktionen und -produkte können durch glasbildende Zusätze in der Monoaluminiumphosphatlösung beeinflusst werden. Zum Beispiel Zink-, Magnesium- oder Bor-haltige Zusätze.
Die erste bereits kondensierte Schicht wird nun mit einer zweiten Schicht, die einen zweiten Leuchtstoff in Pulverform, z.B. ein Nitrid, enthält, beschichtet und analog der ersten Konversionsschicht behandelt. Bei dem so hergestellten Kon- versionselement , liegen die beiden Schichten übereinander (s. Figur 2 ) .
Beispiel 2 :
Eine Chipoberfläche wird mit Leuchtstoffpulver z.B. LuAG:Ce beschichtet. Die Pulverschicht wird dann mit einer wässrigen Lösung eines Metallphosphats gemäß Beispiel 1 sprühbeschich¬ tet. Im Anschluss erfolgt die Trocknung bei niedrigen Tempe¬ raturen (< 150°C) ggf. zusätzlich bei vermindertem Umgebungs¬ druck. Die Kondensation erfolgt in oxidierender Atmosphäre im Temperaturbereich von 200-350°C für wenige Sekunden bis zu einer Stunde. Die erste bereits kondensierte Schicht wird nun mit einem zweiten Leuchtstoffpulver z.B. einem Nitrid beschichtet. Diese Pulverschicht wird mit einer wässrigen Lö¬ sung eines Metallphosphats z. B. Monoaluminiumphosphat
A1(H2P04)3, das zusätzlich auch andere Phosphate wie z.B. Mg und/oder Zn enthält, sprühbeschichtet. Im Anschluss erfolgt die Trocknung bei niedrigen Temperaturen (< 150°C) ggf. zu¬ sätzlich bei vermindertem Umgebungsdruck. Die Kondensation erfolgt in oxidierender Atmosphäre im Temperaturbereich von 200-350°C für wenige Sekunden bis zu einer Stunde.
Beispiel 3:
Auf ein kreisflächiges hochreflektierendes Substrat
(Aluminium wie typischerweise in der Lichtanwendung
verwendet) wird eine Suspension, bestehend aus
Granatleuchtstoffpulver und z.B. einer wässrigen MonoAluminium-Phosphat-Lösung gemäß Beispiel 1, als Bahn
aufgebracht und dann gemäß den Beispiel 2 getrocknet und kondensiert. Vor der Beschichtung kann das Substrat zur bes¬ seren Benetzung mit UV bestrahlt werden. An die Schmalseite dieser Bahn anschließend wird eine weitere Suspension als Bahn aufgebracht. Diese besteht aus einer wässrigen Lösung eines Metallphosphats z. B. Monoaluminiumphosphat A1(H2P04)3, das zusätzlich auch andere Phosphate oder Oxide wie z.B. Mg und/oder Zn und/oder B enthält, und einem anderen Leucht- stoffpulver z.B. einem Nitrid. Diese Schicht wird gemäß Bei- spiel 2 getrocknet und kondensiert. Auf diese Weise lassen sich z.B. auch Farbräder für Laseranwendungen herstellen, die ausführlicher in der zeitgleichen deutschen Patentanmeldung mit dem amtlichen Aktenzeichen 10 2012 210195.0 beschrieben sind . In ähnlicher Art und in verschiedenen Kombinationen lassen sich auch andere Substrate mit vertikalen und horizontalen Schichtungen herstellen.
Der Feststoffgehalt an Leuchtstoff in der Matrix kann je nach gewünschtem Farbort der LED variiert werden. Hierbei ist es auch möglich, Konversionselemente herzustellen, die das vom Chip emittierte Licht zu 100% umwandeln. In diesem Fall ist der Feststoffgehalt an Leuchtstoff so hoch, dass das einge¬ setzte Metallphosphat die Leuchtstoffpartikel nur mit einer dünnen Schicht umschließt und dadurch miteinander verklebt. Letzteres beschränkt sich auf den Einsatz von z.B. RGB (s. Figur 4 ) .
Optional können den Suspensionen gemäß den Beispielen auch Feststoffe in Pulverform und/oder Lösungen anderer löslicher Metallsalze zugesetzt werden. Feststoffe sind vorzugsweise Nanopulver wie zum Beispiel pyrogene Kieselsäure (z.B. Aero- sil von Evonik) und/oder pyrogenes AI2O3 (z.B. Aeroxid Alu C von Evonik) und/oder pyrogenes T1O2 (z.B. Aeroperl P25 von Evonik), die dann auch von der Matrix umschlossen werden. Durch diese Partikel kann u.a. auch der Ausdehnungskoeffi- zient eingestellt werden, hierfür können aber auch Materialien mit negativen Ausdehnungskoeffizienten wie zum Beispiel ß-Eukryptit dienen. Ebenso möglich ist die Zugabe eines ge¬ mahlenen Weich-, Hart- oder Quarzglases als auch eines Glas¬ lotes. Ein Zusatz eines anderen löslichen Metallsalzes zu der Suspension ist z.B. ist die Zugabe einer wässrigen Lösung von Yttriumacetat oder Yttriumphosphat. In diesem Fall reagieren die Komponenten miteinander und das Metallphosphat wird da¬ durch modifiziert. Komponenten, die den Brechungsindex verän¬ dern, vorzugsweise erhöhen, wie Yttriumoxid oder Telluroxid, können ebenfalls als lösliche Metallsalze oder als oxidische Partikel zugesetzt werden.
Der Begriff Phosphate umfasst hier explizit insbesondere Mo- no-Phosphat wie das wasserlösliche A1(H2P04)3 sowie auch was¬ serunlösliches Poly-Phosphat wie [Α1(Ρθ3)3]η· Je nach Verar¬ beitung kann dabei Meta-Phosphat wie (A1(P03)3) oder auch tertiäres Phosphat wie A1P04 entstehen. Ein Anhaltspunkt ist ein Molverhältnis des Phosphors zum Metall, insbesondere Alu¬ minium, von P/Al = 1 bis 10 Grenzwerte eingeschlossen.
Für den Fall, dass das Konversionselement vom Chip beabstan¬ det sein soll (Remote-Phosphor-Lösung) , wird anstatt des Chips ein transparentes Substrat, z.B. Glas mit einer hohen
Transmission im VIS, beschichtet (s. Beispiel 1). Vorzugswei¬ se ist die mit dem Leuchtstoff beschichtete Seite dem Chip zugewandt .
Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf leistungsstarke LEDs mit einer Leistung von mindestens 5 W, insbesondere min¬ destens 10 W Anschlussleistung. Hier kommen die Vorteile einer derartigen anorganischen Matrix des Konversionselementes voll zum Tragen, da die anorganische Matrix thermisch deut¬ lich stabiler ist und eine bessere Wärmeleitung besitzt, ver- glichen mit einer organischen Matrix, und daher geringere
Schäden bei langer Lebensdauer auftreten. Verglichen mit ei- ner Matrix aus Glas, das über einen Schmelzprozess der Gemengerohstoffe hergestellt wurde, kann das Leuchtstoffpulver, bei gleicher Zusammensetzung der Matrix, bei geringeren Temperaturen eingebettet werden, wenn die Matrix aus einer kon- densierten Metallphosphatlösung hergestellt wurde. Wie bereits erwähnt, führt dies zu einer geringeren Schädigung des Leuchtstoffs während der Einbettung.
Vor allem bei rot emittierenden Leuchtstoffen spielt eine gute Wärmeleitung der Matrix des Konversionselements wegen der großen Stokes-Verschiebung relativ zur primären Strahlung eine wesentliche Rolle. Dabei muss die Abwärme effizient vom Leuchtstoff weggeleitet werden, um diesen gegen Degradation während des Betriebs zu schützen.
Die amorphen bzw. überwiegend amorphen Metallphosphate, die über Kondensation hergestellt wurden, sind von der Struktur her nicht von denen zu unterscheiden, die aus der Schmelze eines Gemenges hergestellt wurden, es sei denn ein Glas mit den entsprechenden amorphen Anteilen ist in dieser Zusammensetzung über diesen Weg nicht herstellbar. Allerdings zeigt sich während der Einbettung des Leuchtstoffpulvers , ein un¬ terschiedliches Verhalten. Während Gläser mit zunehmender Temperatur immer niederviskoser werden, steigt die Viskosität die Metallphosphatlösungen mit zunehmender Temperatur an. Dieses Verhalten ist darauf zurückzuführen, dass sich mit zu- nehmender Temperatur immer mehr Wasser bzw. kohlenstoffhaltige Reaktionsprodukte abspalten, was zu einer zunehmenden Vernetzung der Matrix führt. Dadurch erweicht diese Schicht bei gleicher Temperaturbehandlung nicht wieder, weshalb für ein mehrschichtiges Konversionselement die gleiche Matrix und Kondensationstemperatur für die verschiedenen Schichten verwendet werden kann, ohne dass sich diese vermischen. Im Falle einer amorphen bzw. überwiegend amorphen Glasmatrix, die aus der Schmelze eines Gemenges hergestellt wurde, würde dies zu einer Vermischung, zumindest im Bereich der Grenzflächen führen, da beide Schichten wieder erweichen.
Dadurch lassen sich vorteilhaft verschiedene Ausführungsbei¬ spiele eines mehrschichtigen Konversions-Elements realisie¬ ren. Beispielhaft sei dies mit zwei Leuchtstoffen erläutert, die aufeinandergeschichtet (vertikale Reihung) sind. Ähnli¬ ches gilt aber auch bei horizontaler, gitterartiger oder streifenartiger Reihung.
In einer ersten Ausführungsform wird dabei für die Matrix die gleiche Metallphosphatlösung verwendet. Wie bereits erwähnt, kann direkt beschichtet werden, wodurch kein separater Kleber für die Verbindung der beiden Teile benötigt wird. Durch die direkte Verbindung gibt es auch keine durch den Klebstoff be¬ dingten Brechungsunterschiede oder abweichendes thermisches Verhalten. Im Gegensatz dazu müssen keramische Plättchen immer extra verklebt werden, was zum einen aufwendig, zum an¬ dern problematisch hinsichtlich der thermischen Stabilität ist .
Organische Matrizen sind bei hoher LED-Leistung ohnehin nicht verwendbar wegen der fehlenden thermischen Belastbarkeit. Aber auch Gläser als Matrizen sind problematisch, da beim Aufbringen der zweiten Schicht immer die erste Schicht wieder mit erweicht wird, wenn das gleiche Glas verwendet wird. We¬ gen des konträren Verhaltens von kondensierten Metallphosphaten gegenüber erschmolzenen Gläsern sind diese daher ideal für vertikale, aber auch für horizontale Schichtungen geeig¬ net . In einem weitern Ausführungsbeispiel kann auch ein Metall¬ phosphat maßgeschneidert für jeweils einen Leuchtstoff wer¬ den. Dies ist beim Einbringen von mehreren Leuchtstoffen in eine einzige Matrix nicht möglich, es muss dabei immer ein Kompromiss in der Auswahl des Metallphosphats gesucht werden. Bei einer maßgeschneiderten Lösung ist es jedoch möglich, eine gezielte Anpassung vorzunehmen.
Orientierungspunkte für eine Anpassung sind beispielsweise der pH-Wert einer Lösung des Metallphosphats. Dieser ist u.a. abhängig vom Phosphatgehalt und liegt meist in einem Bereich zwischen 1 und 7. Die einzubringenden Leuchtstoffe sind unterschiedlich empfindlich gegenüber einer Belastung durch saures Milieu. Besonders stark empfindlich sind Orthosilika- te, wenig empfindlich sind Granate und Nitride. Andere
Leuchtstoffe liegen meist zwischen diesen Extremen.
Ein zweiter wichtiger Gesichtspunkt ist die Aushärtungstempe¬ ratur Ta des Metallphosphats, oder auch die Temperatur, bei der das Metallphosphat in Kombination mit dem Leuchtstoff und ggf. anderer Zusatzstoffe kondensiert, und sich polymere Phosphate bilden. Bei dieser Temperatur Ta ist die Abspaltung von Wasser abgeschlossen, bzw. im wesentlichen abgeschlossen. Für viele nitridische Leuchtstoffe ist ein Ta von höchstens 350°C empfohlen, da diese Leuchtstoffe, insbesondere rot emittierende nitridische Leuchtstoffe vom Typ M2Si5N8:Eu oder Calsin-Varianten, relativ temperaturempfindlich sind.
Für Granat-Leuchtstoffe wie YAG : Ce , YAGAG oder LuAGAG wird ein Metallphosphat empfohlen, mit dem sich eine Ta von höchs¬ tens 400 °C ergibt.
Generell gilt aber, dass ein Metallphosphat angewendet werden sollte, das eine möglichst niedrige Ta ermöglicht, da diese Vorgehensweise jeden Leuchtstoff weitgehend schont. Ein
Grenzwert in diesem Sinne ist eine Obergrenze des Ta von 350°C.
Als besonders geeignet hat sich eine amorphe bzw. überwiegend amorphe, transparente und farblose Matrix aus Aluminiumphos¬ phat erwiesen, die sich durch Kondensation bei erhöhter Temperatur aus einer Mono-Aluminium-Phosphat-Lösung bildet. Insbesondere oxidationsempfindliche Leuchtstoffe wie z.B. Nitri¬ de zeigten nach dem Einbetten in derartigen Matrizen bei Tem- peraturen < 350°C keinen merklichen Effizienzverlust. Feuchtetests derartiger Muster haben ergeben, dass diese Matrizen neutral reagieren und dadurch auf eine gute Abbindung und chemische Resistenz hindeuten. Die erforderliche Temperatur Ta für die Abbindereaktion kann nochmals reduziert werden, wenn andere Metallphosphate oder Oxide wie z.B. Zn, Mg und/oder B in der Lösung enthalten sind. Dies sind z.B.
Kondensationstemperaturen Ta zwischen 200-300°C, die damit in einem interessanten Temperaturbereich liegen, um auch
temperaturempfindliche Substrate beschichten bzw.
temperaturempfindliche Stoffe einbetten zu können.
Typische Schichtdicken der einzelnen Schichten des Konversionselements liegen bei 10 bis 200 ym, abhängig von der Korngrößenverteilung des eingebetteten Leuchtstoffpulvers , des Mischungsverhältnisses von Feststoff zu Matrix und des ge- wünschten Konversionsgrades. Dabei müssen erste Schicht und zweite Schicht nicht unbedingt gleich dick sein. Für eine Teilkonversion von blauem Licht zu warmweiß ergibt sich in der Regel ein Mischungsverhältnis von 1:9 Gewichtsanteilen für rot zu grün/gelb, abhängig vom der Dichte und Effizienz der Leuchtstoffe sowie von den Emissionsspektren. Die mit verschiedenen Leuchtstoffen erreichbare maßgeschnei¬ derte Effizienz hängt somit auch von der Kondensationstempe¬ ratur („firing temperature" ) ab. Granate sind dabei generell weniger empfindlich als nitridische Leuchtstoffe wie Nitrido- silikate oder Calsine. Bei schonender Behandlung weisen aber nitridische Leuchtstoffe kaum Einbußen auf, der Effizienzverlust liegt bei wenigen Prozent gegenüber dem Ausgangspulver. Dies gilt insbesondere für eine Matrix auf Basis von Mono¬ Aluminium-Phosphat, die einer „firing temperature" von 200 bis 350 °C ausgesetzt war.
Eine Matrix auf Basis von Mono-Aluminium-Phosphat mit einer „firing temperature" von 200 bis 350 °C ist auch ein guter Kandidat für die Einbettung von Granat-Leuchtstoffen. Da diese Leuchtstoffe weniger temperaturempfindlich sind, kann die „firing temperature" in diesem Fall bei bis zu 400°C liegen. Der Effizienzverlust gegenüber dem Ausgangspulver kann dann auch hier auf wenige Prozent beschränkt werden.
Somit ist es möglich zwei verschiedene Matrizen für die bei¬ den Leuchtstoffe zu verwenden als auch die gleiche Matrix bei verschiedenen „firing temperatures" auszuhärten. Ebenso möglich ist die Verwendung der gleichen Matrix und „firing tem- peratur" für beide Schichten. Eine gleichzeitige Aushärtung der verschiedenen Schichten ist ebenfalls denkbar, sofern die „firing temperatur" der Schichten gleich ist. In diesem Fall wird die erste Schicht nur getrocknet oder bei niedrigerer Temperatur vorkondensiert.
In einer besonderen Ausgestaltung kann auch der gleiche
Leuchtstoff in zwei verschiedene Matrizen eingebettet werden, um z.B. den Brechungsindex oder den Ausdehnungskoeffizient oder Streueigenschaften stufenweise anzupassen. Ein besonderer Vorteil der hier beschriebenen Erfindung ist, dass so auch Konversionselemente durch Einbetten von Leucht¬ stoffpulver hergestellt werden können, die als Keramik nicht oder nur aufwendig herstellbar sind. Auch eine derartige Kon- versionskeramik könnte auf diese Art mit mindestens einer weiteren Konversionsschicht beschichtet werden. Im Vergleich zur Einbettung von Leuchtstoffpulver in Glas, das über eine Schmelze aus den Gemengerohstoffen hergestellt wurde, ist der hier beschriebene Prozess auch deutlich einfacher und kosten- günstiger und kann ggf. mit diesem kombiniert werden.
Typische Korngrößenverteilungen der Leuchtstoffpulver sind ein D50 zwischen 5-50 ym, insbesondere 5-30 ym.
Das Mischungsverhältnis von Lösung zu Feststoff ist
korngrößenabhängig. Je feiner das Korn ist desto mehr Matrix- Lösung wird benötigt. Für Granat-Leuchtstoffe mit
Korngrößenverteilungen von einem D50 zwischen 5-30 ym hat sich ein Mischungsverhältnis von Leuchtstoff : Matrix-Lösung von 1 : 0,5-3,0 (Gew.) bewährt. In diesem Fall waren keine weiteren Pulver zugesetzt. Die Konzentration der Metallphosphatlösung liegt typischerweise zwischen 5-60 Gewichts-%, idealerweise bei 40-60 Ge- wichts-%. Die kondensierte Matrix ist vorzugsweise porenarm.
Das Konversionselement bildet einen mindestens zweilagigen Konverter . Die Metallphosphatmatrix bildet sich durch Kondensation (chemische Abbindung) einer Metallphosphatlösung. Das Metallphosphat ist bevorzugt farblos und überwiegend amorph, d.h. zu mehr als 50%. Neben A1203 kann beispielsweise auch Y203 ent¬ halten sein. Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele auf diese beschränkt, sondern umfasst jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, die in den Patentansprüchen beinhaltet sind, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen gegeben ist.

Claims

Patentansprüche
1. Optoelektronisches Halbleiterbauelement mit einer Licht¬ quelle, die primäre Strahlung emittiert, einem Gehäuse und elektrischen Anschlüssen, wobei dem optoelektronischen Halbleiterbauelement ein Konversionselement vorgeschaltet ist auf Basis einer Matrix sowie mindestens zwei Leucht¬ stoffen, wobei die Matrix Metallphosphat beinhaltet und bevorzugt aus Metallphosphat besteht, wobei die Leucht¬ stoffe primäre Strahlung teilweise oder vollständig kon¬ vertieren, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein erstes Leuchtstoffpulver in einer ersten anorganischen Matrix auf Basis eines Metallphosphats eingebettet und fi¬ xiert ist und mindestens ein zweites Leuchtstoffpulver in einer zweiten Matrix auf Basis eines Metallphosphats ein¬ gebettet und fixiert ist.
2. Optoelektronisches Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Matrix über oder neben der ersten Matrix angeordnet ist.
3. Optoelektronisches Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallphosphat im wesent¬ lichen alkalifrei und halogenfrei ist,
4. Optoelektronisches Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallphosphat im wesent¬ lichen transparent im sichtbaren Spektralbereich ist.
5. Optoelektronisches Halbleiterbauelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallphosphat höchstens 1 Mol.-% an Alkalioxiden und halogenhaltigen Bestandteilen enthält .
6. Optoelektronisches Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallphosphat als Haupt¬ komponente Phosphat enthält.
7. Optoelektronisches Halbleiterbauelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallphosphat Aluminium¬ phosphat ist oder überwiegend enthält.
8. Optoelektronisches Halbleiterbauelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Metallphos¬ phate enthalten sind, wobei Aluminiumphosphat die Haupt¬ komponente mit mehr als 50 Gew.-% ist.
9. Optoelektronisches Halbleiterbauelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallphosphat 5 bis 90 Mol.-% P205 und insbesondere 10 bis 90 Mol.-% A1203 ent¬ hält .
10. Optoelektronisches Halbleiterbauelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallphosphat 50 bis 90 Mol.-% P205 und insbesondere 10 bis 50 Mol.-% A1203 ent¬ hält .
11. Optoelektronisches Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dem Metallphosphat anorgani¬ sche Komponenten zugesetzt sind, die den Brechungsindex erhöhen und/oder als Füllstoffe dienen und/oder als optischer Filter wirken und/oder streuen und/oder die Wärmeableitung erhöhen und/oder das thermische Ausdehnungsverhal¬ ten an das Substrat anpassen
12. Optoelektronisches Halbleiterbauelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste mit Leuchtstoff be- aufschlagte Matrixschicht und weitere mit Leuchtstoff be¬ aufschlagte Matrixschichten direkt aufeinanderfolgen ohne sich zu vermischen, wobei diese Matrixschichten bevorzugt entweder mit dem Halbleiterbauelement verbunden sind oder von diesem beabstandet sind.
13. Optoelektronisches Halbleiterbauelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrix mindestens einer Schicht aus einem anderen Metallphosphat hergestellt ist als die anderen Konversionsschichten.
14. Optoelektronisches Halbleiterbauelement nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallphosphat- Matrizen an den jeweils eingebetteten Leuchtstoff ange- passt sind.
15. Optoelektronisches Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Metallphosphat in Kombination mit dem zuge¬ hörigen Leuchtstoffpulver eine Aushärtungstemperatur von höchstens 400°C, bevorzugt höchstens 350°C, aufweist.
16. Optoelektronisches Halbleiterbauelement nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Metall¬ phosphat in Kombination mit dem Leuchtstoffpulver eine Aushärtungstemperatur von höchstens 300 °C, bevorzugt höchstens 220°C aufweist.
17. Optoelektronisches Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Metallphosphat als Lösung einen pH-Wert von 1 bis 7 aufweist.
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