WO2015154958A1 - Licht emittierende vorrichtung und verfarhen zur herstellung einer licht emittierenden vorrichtung - Google Patents

Licht emittierende vorrichtung und verfarhen zur herstellung einer licht emittierenden vorrichtung Download PDF

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WO2015154958A1
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Ion Stoll
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Osram Opto Semiconductors Gmbh
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Definitions

  • a light-emitting device comprises a light-emitting device
  • Wavelength range can be in particular in an infrared, visible and / ultraviolet spectral range.
  • the first wavelength range can be in a visible spectral range, ie in a blue, green and / or red spectral range.
  • the first wavelength range can be in a visible spectral range, ie in a blue, green and / or red spectral range.
  • the first infrared light emitting device the first
  • Wavelength range for example, in the near-infrared spectral range.
  • the light is
  • the emitting semiconductor device is formed as an inorganic light-emitting semiconductor device or may have such.
  • the semiconductor light emitting device may include or may be formed by an inorganic light emitting diode.
  • the inorganic light-emitting diode may comprise, for example, a light-emitting semiconductor chip which comprises at least one active layer for generating the first light.
  • the light is
  • the emitting semiconductor device formed as organic light-emitting semiconductor device or has at least one such.
  • the light-emitting semiconductor component in this case, a
  • the wavelength conversion element is arranged in particular in the beam path of the first light. This means that the first light generated in operation by the light-emitting semiconductor component at least partially the
  • the wavelength conversion element is in particular designed such that the first light which is incident on the
  • Wavelength conversion element meets, at least partially converted into second light in a second wavelength range different from the first wavelength range.
  • the Spectral range is shifted compared to the first wavelength range.
  • the second wavelength range can be
  • the light-emitting device in particular also comprise a plurality of contiguous or non-contiguous spectral regions which are at least partially different from the first wavelength region of the first light.
  • the light-emitting device emits light during operation, which contains the second light which is generated by the wavelength conversion element by conversion of the first light.
  • the light emitted by the light-emitting device may also have unconverted first light.
  • Wavelength conversion element nanoparticles here and hereinafter also referred to as nanoscale particles, which contain organic luminescent molecules.
  • organic luminescent molecules are contained in a base material by which the nanoparticles are substantially formed.
  • the nanoparticles may be substantially on a glass-like or
  • Base material may more preferably be based on silica (Si0 2 ) or S1O 2 .
  • the nanoparticles can thus be a Si0 2 -basêts material as a base material
  • organic luminescent molecules are contained.
  • the organic luminescent molecules are therefore included in the basic material, so that the organic luminescent molecules are therefore included in the basic material, so that the organic luminescent molecules are therefore included in the basic material, so that the organic luminescent molecules are therefore included in the basic material, so that the organic luminescent molecules are therefore included in the basic material, so that the organic luminescent molecules are therefore included in the basic material, so that the organic luminescent molecules are contained.
  • Nanoparticles have the organic luminescent molecules in the interior. In particular, this indicates
  • Wavelength conversion element thus preferably Si0 2 ⁇ based nanoparticles in which organic dye molecules are integrated in the form of organic luminescent molecules.
  • Nanoparticles become the organic luminescent ones
  • the nanoparticles are based "essentially" on a specific material, namely the base material, means here and below that this material, apart from the organic luminescent molecules, forms the main constituent of the nanoparticles, for example in a proportion of more than 80% by weight % or more than 90% by weight or more than 99% by weight, excluding the organic luminescent molecules.
  • Nanoparticles containing organic luminescent molecules in a Si0 2 based material are also known as so-called Dye Doped Silica Nanoparticles (DDSN), as described in S. Bonacchi et al. , Luminescent silica
  • Nanoparticles Extending the Frontiers of Brightness, Angew. Chem. Int. Ed. 2011, 50, 4056-4066, the disclosure content of which, for example, in particular with regard to properties and various production methods,
  • the nanoparticles have a size of less than or equal to 1000 nm. Furthermore, the nanoparticles may have a size of less than or equal to 800 nm or less than or equal to 500 nm or less than or equal to 200 nm or less than or equal to 100 nm.
  • the nanoparticles may have a size of greater than or equal to 1 nm or greater than or equal to 5 nm or greater than or equal to 10 nm or greater than or equal to 15 nm or greater than or equal to 20 nm or greater than or equal to 30 nm.
  • the nanoparticles may particularly preferably have a size of greater than or equal to 1 nm and less than or equal to 1000 nm or greater than or equal to 1 nm and less than or equal to 100 nm or greater than or equal to 10 nm and less than or equal to 50 nm.
  • the light-emitting device has a light-emitting device
  • Wavelength conversion element that the first light
  • the light-emitting device may be provided to produce white or other colored mixed light formed by a superposition of unconverted first light and second light produced by the wavelength conversion element.
  • the light-emitting device may also be possible for the light-emitting device to emit only second light, that is to say the first light generated directly by the light-emitting semiconductor component wholly or almost completely, in particular more than 90% or more than 95% or more than 99 ⁇ 6, of
  • Wavelength conversion element is converted.
  • the light-emitting device may vary depending on
  • narrowband light emitted from the semiconductor device is converted by a wavelength converter into light in a different wavelength range.
  • Light conversion is the wavelength converter in the
  • inorganic conversion materials typically one
  • wavelength converters in a matrix material become into the light path of a
  • parylene can be encapsulated.
  • matrix materials in which
  • organic luminescent molecules are dissolved, it is not currently known how the organic materials in a conventional package such as an LED package can be sufficiently protected against irreversible degradation.
  • the organic luminescent molecules in particular in the excited state, become very reactive with other reactants, such as, for example, oxygen, water, functional groups of a surrounding molecule
  • a chemically very inert material is used as the base material for the nanoparticles. Since organic dyes are very inexpensive to produce in large quantities, the use of the nanoparticles described here is correspondingly a very inexpensive conversion option, since the
  • Nanoparticles can also be produced on a large scale.
  • organic dyes are in virtually everyone Emission wavelength and with emission spectra that can be made very wide, for example in the case of Alq3, to very narrow, for example in the case of Eu 3+ complexes. This makes it possible at the here
  • Materials by the use of nanoparticles have improved stability and can be processed by mechanical mixing in a wide range of matrix materials.
  • Molecules are delivered to the surrounding, preferably highly thermally conductive nanoparticle material.
  • a nanoparticle can then distribute the heat to a larger volume, the
  • nanoparticles and optionally poorly heat-conductive matrix for example, by a surrounding the nanoparticles and optionally poorly heat-conductive matrix such as
  • silicone or other material may be formed. Since the organic luminescent molecules are embedded in the nanoparticles, a chemical or physical compatibility of the organic dye with a matrix material surrounding the nanoparticles is not necessary, so that in the here described
  • Wavelength conversion element any combination of organic luminescent molecules and a
  • Matrix material can be used. Furthermore, as described below, many different processes are possible with which the nanoparticles can be introduced into the light path of the light-emitting semiconductor component. Energy transfer processes to a matrix material surrounding the nanoparticles, which could lead to a loss of efficiency in a direct embedding of the organic luminescent molecules in a matrix material, are by the photophysically inert
  • Nanoparticle material prevents. For example, in the
  • Si0 2 -based material this is characterized by a high band gap and by the presence of only a few or no OH groups. Furthermore, it is also possible to produce the nanoparticles with a narrow and controlled size distribution, which facilitates the processability of matrix materials containing the nanoparticles.
  • S1O 2 exhibits an almost identical refractive index in comparison with the refractive index of most common matrix materials, so that a
  • Nanoparticles can be avoided. Scattering properties of the
  • Wavelength conversion element can thus be adjusted specifically by adding scattering particles, as described below, so that the emission profile and the color or the degree of conversion of the
  • organic luminescent molecules are here and below both pure organic molecules as well organic molecules with metal atoms, ie organometallic molecules with one or more metal centers, understood.
  • the organic luminescent molecules comprise one or more of the following materials: acridine dyes, acridinone dyes, anthraquinino dyes, anthracene dyes, cyanine dyes, dansyl dyes, squaryllium dyes,
  • Phthalocyanine dyes metal complexes of phthalocyanines, quinones, azo dyes, indophenol dyes, oxazines, oxazones, thiazines, thiazoles, fluorenes, flurones, pyronines, rhodamines, coumarins.
  • the organic luminescent molecules include transition metal complexes
  • organic ligands A variety of such materials emit from a triplet state. Due to the associated forbidden transition, these materials generally have a long luminescence lifetime.
  • one or more selected from Rh, Os, Ru, Ir, Pd and Pt are used as the transition metal. Ir (III), Os (II), Pt (II), Ru (II) can be used with particular preference, for example.
  • other transition metals are possible.
  • the organic ligands are selected from one or more materials that
  • porphyrins are derived from the following basic frameworks: porphyrins,
  • Porphins 2, 2-bipyridines, 2-phenylpyridines, 3- (thiazol-2-yl), 3- (benzothiazol-2-yl), 3- (imidazol-2-yl), 3- (benzimidazol-2-yl ), Pyridyl azolates.
  • the organic ligands generate the charge neutrality of the wavelength conversion material or the metal centers can additionally carry counterions.
  • the individual metal complexes can also be also carry counterions.
  • Mixtures of different ligands are present, more preferably from the aforementioned classes of organic ligands.
  • luminescent molecules are preferably perylene imides and perylene carboxylates in question.
  • Transition metal complexes for the organic luminescent molecules are particularly preferred:
  • acac acetylacetonate
  • btfp 5- (benzothiazol-2-yl) -3-trifluoromethylpyrazole
  • dppb 1,2-bis (diphenylphosphino) benzene
  • the nanoparticles have anchor molecule chains through which the nanoparticles can chemically and selectively bind to preselected chemical surfaces.
  • anchor molecule chains through which the nanoparticles can chemically and selectively bind to preselected chemical surfaces.
  • monolayers of nanoparticles can be produced in a self-limiting process ("soap-assembling monolayer", SAM)
  • the preselected surfaces of the semiconductor light emitting device may be formed by one or more of the following materials: GaN, GaAlAs,
  • anchor molecule chains can be formed by one or more of the following molecules: R-OMe, R-OEt, R-Tos, R-Si (OMe) 3 , R-Si (OEt) 3 , R-SH, where R is an organic molecular chain with a chemical compound to the
  • OMe denotes a methoxy group, OEt an ethoxy group and Tos a tosyl group (p-toluenesulfonyl group).
  • Wavelength conversion element on a matrix material in which the nanoparticles are arranged a matrix material in which the nanoparticles are arranged.
  • the matrix material one or more of the following materials may be used polyacrylates, polyolefins, for example high or low density polyethylene (PE) and polypropylene (PP), polyvinyl chloride (PVC), polystyrene (PS), polyester,
  • PE high or low density polyethylene
  • PP polypropylene
  • PVC polyvinyl chloride
  • PS polystyrene
  • polyester polyester
  • PC Polycarbonate
  • PET polyethylene terephthalate
  • PES Polyethersulfone
  • PEN polyethylene naphthalate
  • Polymethyl methacrylate PMMA
  • polyimide PI
  • polyether ketones such as polyetheretherketone (PEEK)
  • polyamide for example polyphthalamide (PPA)
  • PCT Polycyclohexylenedimethylene terephthalate
  • silicone silicone
  • epoxy and liquid crystalline polymer
  • the nanoparticles have a coating.
  • the coating may in particular be arranged around the base material of the nanoparticle, that is to say, for example, the SiO 2 -based material, and the
  • Coating an inorganic material such as Al 2 O 3 have. Furthermore, the coating can also be
  • the coating can be any organic material.
  • the coating can be any organic material.
  • prevent aggregation of the nanoparticles improve the flowability, change the refractive index, and / or serve as a wavelength filter, for example, short-wave first light, ie excitation light,
  • wavelength conversion element may be included in addition to the nanoparticles.
  • the wavelength conversion element Furthermore, have scattering particles, which may be distributed in particular as the nanoparticles in the matrix material. As scattering particles are here and below such scattering particles.
  • the scattering particles may comprise or consist of TiO 2 , I 2 O 3 or glass particles.
  • the matrix material may have fillers which prevent aggregation of the particles contained, which alter the refractive index and / or which may serve as wavelength filters.
  • the matrix material may have fillers which prevent aggregation of the particles contained, which alter the refractive index and / or which may serve as wavelength filters.
  • Wavelength conversion element in addition to the
  • the nanoparticles can be used as the conversion material along with other light conversion materials in the light-emitting device described herein.
  • the others can be used as the conversion material along with other light conversion materials in the light-emitting device described herein.
  • the others can be used as the conversion material along with other light conversion materials in the light-emitting device described herein.
  • the others can be used as the conversion material along with other light conversion materials in the light-emitting device described herein.
  • the others are examples of the others.
  • Wavelength conversion materials have or be inorganic phosphors.
  • the inorganic phosphors may comprise one or more materials selected from the following materials: Ce3 + doped garnets such as YAG: Ce and LuAG: Ce, for example (Y, Lu, Gd, Tb) 3 (Ali x , Ga x ) 5 Oi 2: Ce 3 + ; Eu 2+ doped nitrides, for example
  • Wavelength converter can be excited.
  • the nanoparticles can be used together with semiconductor nanoparticles for light conversion.
  • the nanoparticles may additionally comprise one or more of the following materials in the base material, for example in the Si0 2 -based material: alkali metals,
  • the additional elements and materials preferably have a content of less than 5%, and more preferably less than 1%, based on the weight of the nanoparticles.
  • the SiO 2 -based material in addition
  • nanoparticles are introduced. According to further embodiments, the nanoparticles may have one or more of the following properties:
  • the nanoparticles can by a semiconductor emission
  • FWHM width of less than 120 nm in the range from 400 to 800 nm.
  • the nanoparticles can be excited by a broadband emission with a width (FWHM) greater than or equal to 120 nm in the visible range.
  • the nanoparticles can by an infrared emission
  • the nanoparticles can photon-upconverting
  • Dyes include.
  • the nanoparticles can be excited with UV light.
  • the nanoparticles can be thermochromic dyes
  • Wavelength conversion element applied directly on the light-emitting semiconductor device may mean in particular that the
  • Wavelength conversion element is applied directly on a surface of the light-emitting semiconductor device.
  • the light-emitting semiconductor device it is also possible that the
  • Wavelength conversion element and thus the nanoparticles are arranged spaced from the light-emitting semiconductor device.
  • a remote arrangement between the
  • Wavelength conversion element and the light-emitting device further materials in the form of layers or, for example, a potting of the light-emitting
  • Semiconductor device may be arranged. Moreover, it is also possible that, for example, a gas such as air is disposed between the light-emitting semiconductor device and the wavelength conversion element.
  • the nanoparticles have only a single type of organic luminescent Molecules on.
  • the nanoparticles may also have different organic luminescent molecules
  • each of the nanoparticle groups is formed by particles containing the same organic luminescent molecules, wherein the organic luminescent molecules of the individual nanoparticle groups are different from each other.
  • a plurality of different particle groups may be present and each of the particle groups is formed by particles containing the same organic luminescent molecules.
  • the different particle groups can be spatially
  • the light-emitting diode For example, the light-emitting diode
  • Semiconductor structure may be formed, which has individually controllable areas.
  • the light-emitting device can be embodied as a multicolored microdisplay, for example as an RGB microdisplay.
  • Wavelength conversion element applied.
  • the nanoparticles can be applied by at least one or a combination of the following application methods:
  • Dispensing process spraying, printing, electrophoresis,
  • Wavelength conversion element that already contains the nanoparticles, apply. For example, that can
  • Wavelength conversion element with the nanoparticles for this purpose by a printing process or a molding process such
  • an injection molding process for example, an injection molding process, a compression molding process, a
  • Transfer molding process or a film-assisted transfer molding process are produced.
  • the nanoparticles can furthermore be applied with one of the abovementioned materials in a solvent, the solvent then being removed.
  • Nanoparticles can continue along with a
  • Matrix material can be applied or after application of the nanoparticles can on these a matrix material
  • the wavelength conversion element free of a
  • Matrix material is. Further advantages, advantageous embodiments and
  • Figure 1 is a light-emitting device according to a
  • identical, identical or identically acting elements can each be provided with the same reference numerals.
  • the illustrated elements and their proportions with each other are not to be regarded as true to scale, but individual elements, such as layers, components, components and areas, for better representation and / or better understanding may be exaggerated.
  • FIG. 1 shows a light-emitting device 100 which has a light-emitting semiconductor component 1 which, in operation, has first light in a first light-emitting device
  • Wavelength range emitted In the beam path of the first light, a wavelength conversion element 2 is arranged, which converts the first light at least partially a second light in a second wavelength range different from the first wavelength range.
  • the light-emitting semiconductor device 1 may be, for example, an inorganic light-emitting
  • Be semiconductor device For example, that can
  • inorganic semiconductor light-emitting device include or be an inorganic light-emitting diode.
  • the inorganic light-emitting diode can be any organic light-emitting diode.
  • a light-emitting semiconductor chip comprising at least one active layer for generating the first light.
  • the semiconductor chip can be produced as a semiconductor layer sequence on the basis of different semiconductor material systems.
  • blue or green light and / or ultraviolet light is a
  • the semiconductor layer sequence can be, for example, In x Al y Gai x - y P with 0 ⁇ x ⁇ 1, 0 ⁇ y ⁇ 1 and x + y ⁇ 1
  • Semiconductor material is capable of generating light in a red to infrared wavelength range.
  • the light-emitting semiconductor chip may comprise a semiconductor layer sequence, particularly preferably one
  • epitaxially grown semiconductor layer sequence comprise or be.
  • the semiconductor layer sequence by means of an epitaxial process, for example
  • MOVPE metal-organic gas phase epitaxy
  • MBE Molecular Beam Epitaxy
  • grown semiconductor layer sequence can a plurality provided by light-emitting semiconductor chips. Furthermore, the semiconductor layer sequence can be transferred to a carrier substrate before separation and the growth substrate can be thinned or completely removed.
  • Such semiconductor chips as a substrate
  • Carrier substrate instead of the growth substrate may also be referred to as so-called thin-film semiconductor chips
  • a thin-film semiconductor chip is characterized in particular by the following characteristic features:
  • Epitaxial layer sequence is applied or formed a reflective layer that at least a portion of the generated in the epitaxial layer sequence
  • the epitaxial layer sequence reflects electromagnetic radiation back into them; the epitaxial layer sequence has a thickness in the range of 20 microns or less, in particular in the range between 4 and 10 ym; and
  • the epitaxial layer sequence contains at least one
  • Semiconductor layer having at least one surface which has a blending structure which, in the ideal case, results in an approximately ergodic distribution of the light in the epitaxial epitaxial layer sequence, i. it has as ergodically stochastic as possible
  • a thin-film semiconductor chip is in good approximation
  • Lambert's surface radiator The basic principle of a thin-film light-emitting diode chip is described, for example, in the publication I. Schnitzer et al. , Appl. Phys. Lett. 63 (16), 18 October 1993, 2174 - 2176.
  • the semiconductor layer sequence can be used as active region
  • a conventional pn junction for example, a conventional pn junction, a
  • Double heterostructure a single quantum well structure (SQW structure) or a multiple quantum well structure (MQW structure)
  • the semiconductor layer sequence can, in addition to the active region, further functional layers and
  • Charge carrier transport layers ie electron or
  • Barrier layers planarization layers, buffer layers, protective layers and / or electrodes and combinations thereof.
  • Semiconductor device 1 also an organic light
  • organic light emitting semiconductor device such as an organic light emitting diode (OLED)
  • OLED organic light emitting diode
  • the wavelength conversion element 2 has a multiplicity of nanoparticles 3.
  • the nanoparticles 3 are arranged in a matrix material 4.
  • Matrix material 4 form the wavelength conversion element 2 and be arranged in the beam path of the first light of the light-emitting semiconductor device 1.
  • the uniform distribution of nanoparticles 3 in the matrix material 4 may also be spatially structured in the matrix material 4.
  • the wavelength conversion element 2 can, as shown in Figure 1, directly on the light emitting
  • Semiconductor component 1 may be arranged.
  • the wavelength conversion element 2 can for this purpose directly on one or more surfaces of the light-emitting
  • Semiconductor device 1 may be arranged.
  • a so-called remote arrangement is possible in which the wavelength conversion element 2 can be arranged at a distance from the light-emitting semiconductor component 1. For this purpose, between the light-emitting
  • Semiconductor device 1 and the wavelength conversion element 2 other materials for example in the form of layers or encapsulation of the light-emitting
  • Semiconductor device 1 may be present. In addition, it is also possible that, for example, between the light
  • the light-emitting device 100 may further include, for example, a housing in which the light-emitting semiconductor device 1 and the
  • Wavelength conversion element 2 are arranged (not shown).
  • the matrix material 4 may be, for example, a silicone or epoxy resin, in which the nanoparticles 3 are mixed. Alternatively, the matrix material 4 may also comprise one or more of the materials mentioned above in the general part.
  • the nanoparticles 3 are explained in more detail below in conjunction with FIGS. 2 to 4, in which
  • FIG. 2 shows a nanoparticle 3 which has a
  • Base material 30 in which organic luminescent molecules 31 are contained.
  • the organic luminescent molecules 31 are enclosed by the base material 30, so that the nanoparticle 3 has the molecules 31 in the interior.
  • the base material 30 is preferably formed by a photophysically inert material, more preferably a vitreous material. Im shown
  • the base material 30 is formed by an S1O 2 -based material, in which the organic
  • the S1O 2 -based material thus forms a matrix in which the organic luminescent molecules 31 are included and contained. As a result, the organic
  • luminescent molecules 31 are encapsulated from the environment and protected against degradation processes, for example by reaction with ambient gases or the matrix material.
  • the organic luminescent molecules 31 may be any organic luminescent molecules 31.
  • Transition metal complexes with organic ligands are described herein, by way of example only, reference may be made to the following particularly preferred materials:
  • Phenylpyridines 3- (thiazol-2-yl), 3- (benzothiazol-2-yl), 3- (imidazol-2-yl), 3- (benzimidazol-2-yl), pyridyl azolates.
  • organic luminescent molecules 31 may alternatively or additionally also comprise one or more of the other materials mentioned above in the general part.
  • further materials may be included in the base material 30, for example one or more selected from the following: alkali metals, alkaline earth metals, halogens, Al, Zr, Hf, Ge, Sn, Pb, B, In, Ga, N , C, P, Ti, Sc, Y, As, Sb, S, Se, H, Deuterium.
  • the additional materials or elements preferably have a proportion of less than 5% and particularly preferably less than 1% in the base material 30, ie in particular in the Si0 2 ⁇ based material, the
  • Semiconductor nanoparticles are introduced into the Si0 2 ⁇ material 30.
  • the nanoparticles 3 can be used, for example, in the light-emitting device 100 shown in FIG. 1 with a specially selected size distribution in FIG. 1
  • Wavelength conversion element 2 may be present.
  • the nanoparticles 3 may have a size of greater than or equal to 1 nm and less than or equal to 1000 nm. In particular, sizes are larger or larger is equal to 1 nm and less than or equal to 100 nm or greater than or equal to 10 nm and less than or equal to 50 nm, in particular
  • the nanoparticles 3 may also have other sizes mentioned above in the general part.
  • the nanoparticles 3 may contain, for example, only one type of organic luminescent material 31. Moreover, it is also possible that the nanoparticles 3 may contain a mixture of a plurality of said organic luminescent materials 31.
  • the organic luminescent molecules 31 may be formed as described above in the general part and have corresponding properties described above.
  • Figure 3 is another embodiment of a
  • Nanoparticles 3 shown that in addition to the SiO 2 based material 30 around a coating 32, which covers the nanoparticles 3.
  • the coating 32 can
  • the coating 32 may in particular be one or more of the following
  • Wavelength filters serve. As a result, it may be possible, for example, for short-wave excitation light, that is to say first light of the light-emitting semiconductor component,
  • Nanoparticles 3 shown having anchor molecule chains 33 on its surface can be intended to bind the nanoparticles 3 chemically and selectively to specific chemical surfaces. If suitable anchor molecule chains 32 and surfaces, for example in the light-emitting semiconductor component used, can in one
  • anchor molecule chains with methoxy or ethoxy groups can be used, as described above in the general part.
  • anchor molecule chains described above in the general part may also be used, which in particular may allow attachment to the surface materials described above in the general part.
  • the nanoparticles 3, for example in a formulation with the matrix material 4, can be introduced into the light path of the light-emitting semiconductor component 1 by a
  • Dispensing process by spraying or by a
  • nanoparticles 3 for example, in a
  • Semiconductor device 1 introduce. After the nanoparticles 3 have been applied, they can optionally be provided with a matrix material 4 or, if they already have a matrix material 4
  • nanoparticles 3 were applied, with another matrix material be provided. Moreover, it is also possible to apply the nanoparticles 3 in a volatile solvent, which is subsequently removed by evaporation, for example. By applying in an electric
  • Wavelength conversion element 2 for example, prefabricate and then attach as a prefabricated conversion element in the light path of the light-emitting semiconductor device 1.
  • Wavelength conversion element can be produced for example by a printing process or by a molding process, for example by injection molding, compression molding or transfer molding or foil-assisted transfer molding.
  • FIG. 5 shows a light-emitting device 101 according to a further exemplary embodiment, which has scattering particles 5 in addition to the nanoparticles 3 in comparison to the light-emitting device 100. These can be formed for example by a colorless, so only light-scattering material such as Ti0 2 , Al 2 O 3 or glass particles.
  • wavelength conversion element 2 in addition to the nanoparticles 3 as conversion material still other materials for
  • inorganic wavelength conversion materials such as the phosphors described above in the general part, may be used in addition to the above
  • Nanoparticles 3 may be included in the wavelength conversion element 2.
  • a light-emitting device 102 according to a further exemplary embodiment, which is a light-emitting semiconductor component 1 in comparison to the light-emitting devices 100 and 101 of FIGS. 1 and 5
  • Wavelength conversion element 2 into segments 21, 22, 23, which are arranged on the segments 11, 12, 13 of the light-emitting semiconductor device 1.
  • the segments 21, 22, 23 each contain a particle group with nanoparticles 3, which are the same within the groups, while the particle groups are formed differently from each other and nanoparticles 3 having different organic luminescent materials. This makes it possible that the segments 21, 22, 23 radiate different second light from each other, so that together with the segmented light emitting
  • Semiconductor device 102 a multicolor display, For example, an RGB micro-display, can be realized.

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Abstract

Es wird eine Licht emittierende Vorrichtung angegeben, die ein Licht emittierendes Halbleiterbauelement (1), das im Betrieb erstes Licht in einem ersten Wellenlängenbereich emittiert, und im Strahlengang des ersten Lichts angeordnet ein Wellenlängenkonversionselement (2), das das erste Licht zumindest teilweise in zweites Licht in einem zweiten vom ersten Wellenlängenbereich verschiedenen Wellenlängenbereich umwandelt, aufweist, wobei das Wellenlängenkonversionselement (2) Nanopartikel (3) aufweist, die organische lumineszierende Moleküle (31) in einem Grundmaterial (30), das aus einem SiO2-basierten Material gebildet wird, enthalten. Weiterhin wird ein Verfahren zur Herstellung einer Licht emittierenden Vorrichtung angegeben.

Description

Beschreibung
Licht emittierende Vorrichtung und Verfahren zur Herstellung einer Licht emittierenden Vorrichtung
Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Patentanmeldung 10 2014 105 142.4, deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird. Es werden eine Licht emittierende Vorrichtung und ein
Verfahren zur Herstellung einer Licht emittierenden
Vorrichtung angegeben.
Zumindest eine Aufgabe von bestimmten Ausführungsformen ist es, eine Licht emittierende Vorrichtung mit einem
Wellenlängenkonversionselement anzugeben. Eine weitere
Aufgabe von bestimmten Ausführungsformen ist es, ein
Verfahren zur Herstellung einer solchen Licht emittierenden Vorrichtung anzugeben.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist eine Licht emittierende Vorrichtung ein Licht emittierendes
Halbleiterbauelement auf, das im Betrieb erstes Licht in einem ersten Wellenlängenbereich emittiert. Der erste
Wellenlängenbereich kann insbesondere in einem infraroten, sichtbaren und/ultravioletten Spektralbereich liegen.
Besonders bevorzugt kann der erste Wellenlängenbereich in einem sichtbaren Spektralbereich, also in einem blauen, grünen und/oder roten Spektralbereich liegen. Im Falle einer Infrarotlicht emittierenden Vorrichtung kann der erste
Wellenlängenbereich beispielsweise auch im nahinfraroten Spektralbereich liegen. Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das Licht
emittierende Halbleiterbauelement als anorganisches Licht emittierendes Halbleiterbauelement ausgebildet oder kann ein solches aufweisen. Beispielsweise kann das Licht emittierende Halbleiterbauelement eine anorganische Licht emittierende Diode aufweisen oder durch eine solche gebildet sein. Die anorganische Licht emittierende Diode kann beispielsweise einen Licht emittierenden Halbleiterchip aufweisen, der zumindest eine aktive Schicht zur Erzeugung des ersten Lichts umfasst.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das Licht
emittierende Halbleiterbauelement als organisches Licht emittierendes Halbleiterbauelement ausgebildet oder weist zumindest ein solches auf. Insbesondere kann das Licht emittierende Halbleiterbauelement in diesem Fall eine
organische Licht emittierende Diode aufweisen oder durch eine solche gebildet sein. Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Licht
emittierende Vorrichtung ein Wellenlängenkonversionselement auf. Das Wellenlängenkonversionselement ist insbesondere im Strahlengang des ersten Lichts angeordnet. Das bedeutet, dass das im Betrieb vom Licht emittierenden Halbleiterbauelement erzeugte erste Licht zumindest teilweise das
Wellenlängenkonversionselement beleuchtet und somit auf und/oder in das Wellenlängenkonversionselement eingestrahlt wird. Das Wellenlängenkonversionselement ist insbesondere so ausgebildet, dass das erste Licht, das auf das
Wellenlängenkonversionselement trifft, zumindest teilweise in zweites Licht in einem zweiten vom ersten Wellenlängenbereich verschiedenen Wellenlängenbereich umgewandelt wird.
Beispielsweise kann der zweite Wellenlängenbereich im Vergleich zum ersten Wellenlängenbereich in Richtung eines längerwelligen Spektralbereichs verschoben sein. Alternativ oder zusätzlich kann es auch sein, dass der zweite
Wellenlängenbereich aufgrund einer sogenannten
Aufwärtskonversion in Richtung eines kürzeren
Spektralbereichs im Vergleich zum ersten Wellenlängenbereich verschoben ist. Der zweite Wellenlängenbereich kann
insbesondere auch mehrere zusammenhängende oder auch nicht zusammenhängende Spektralbereiche umfassen, die zumindest teilweise vom ersten Wellenlängenbereich des ersten Lichts verschieden sind. Die Licht emittierende Vorrichtung strahlt insbesondere im Betrieb Licht ab, das das zweite Licht, das vom Wellenlängenkonversionselement durch Konversion des ersten Lichts erzeugt wird, enthält. Darüber hinaus kann das von der Licht emittierenden Vorrichtung abgestrahlte Licht auch unkonvertiertes erstes Licht aufweisen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das
Wellenlängenkonversionselement Nanopartikel , hier und im Folgenden auch als nanoskalige Partikel bezeichnet, auf, die organische lumineszierende Moleküle enthalten. Die
organischen lumineszierenden Moleküle sind insbesondere in einem Grundmaterial enthalten, durch das die Nanopartikel im Wesentlichen gebildet werden. Die Nanopartikel können insbesondere im Wesentlichen auf einem Glas-artigen oder
Glas-ähnlichen Material basieren und ein solches aufweisen, in dem die organischen lumineszierenden Moleküle enthalten sind. Das die Nanopartikel im Wesentlichen bildende
Grundmaterial kann besonders bevorzugt auf Silica (Si02) basieren oder S1O2 sein. Insbesondere können die Nanopartikel somit ein Si02-basiertes Material als Grundmaterial
aufweisen, in dem die organischen lumineszierenden Moleküle enthalten sind. Die organischen lumineszierenden Moleküle sind also im Grundmaterial eingeschlossen, so dass die
Nanopartikel die organischen lumineszierenden Moleküle im Inneren aufweisen. Insbesondere weist das
Wellenlängenkonversionselement somit bevorzugt Si02~basierte Nanopartikel auf, in denen organische Farbstoffmoleküle in Form der organischen lumineszierenden Moleküle integriert sind. Durch das Wellenlängenkonversionselement mit den
Nanopartikeln werden die organischen lumineszierenden
Moleküle in den Lichtweg des ersten Lichts des Licht
emittierenden Halbleiterbauelements zur
Wellenlängenkonversion eingebracht .
Dass die Nanopartikel „im Wesentlichen" auf einem bestimmten Material, nämlich dem Grundmaterial, basieren, bedeutet hier und im Folgenden, dass dieses Material, abgesehen von den organischen lumineszierenden Molekülen, den Hauptbestandteil der Nanopartikel bildet, beispielsweise zu einem Anteil von mehr als 80 Gew.-% oder mehr als 90 Gew.-% oder mehr als 99 Gew.-%, wobei die organischen lumineszierenden Moleküle hierbei nicht eingerechnet sind.
Nanopartikel, die organische lumineszierende Moleküle in einem Si02~basierten Material enthalten, sind auch als so genannte Dye-Doped-Silica-Nanoparticles (DDSN) bekannt, wie in der Druckschrift S. Bonacchi et al . , Luminescent Silica
Nanoparticles : Extending the Frontiers of Brightness, Angew. Chem. Int. Ed. 2011, 50, 4056 - 4066 beschrieben sind, deren Offenbarungsgehalt, beispielsweise insbesondere in Bezug auf Eigenschaften und verschiedene Herstellungsmethoden,
diesbezüglich vollumfänglich durch Rückbezug hiermit
aufgenommen wird. Gemäß einer weiteren Ausführungsform weisen die Nanopartikel eine Größe von kleiner oder gleich 1000 nm auf. Weiterhin können die Nanopartikel eine Größe von kleiner oder gleich 800 nm oder kleiner oder gleich 500 nm oder kleiner oder gleich 200 nm oder kleiner oder gleich 100 nm aufweisen.
Weiterhin können die Nanopartikel eine Größe von größer oder gleich 1 nm oder größer oder gleich 5 nm oder größer oder gleich 10 nm oder größer oder gleich 15 nm oder größer oder gleich 20 nm oder größer oder gleich 30 nm aufweisen.
Besonders bevorzugt können die Nanopartikel beispielsweise eine Größe von größer oder gleich 1 nm und kleiner oder gleich 1000 nm oder von größer oder gleich 1 nm und kleiner oder gleich 100 nm oder von größer oder gleich 10 nm und kleiner oder gleich 50 nm aufweisen.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist die Licht emittierende Vorrichtung ein Licht emittierendes
Halbleiterbauelement auf, das im Betrieb erstes Licht in einem ersten Wellenlängenbereich emittiert, und im
Strahlengang des ersten Lichts ein
Wellenlängenkonversionselement, dass das erste Licht
zumindest teilweise in zweites Licht umwandelt und das nanoskalige Si02~Partikel enthält, die in ihrem Inneren organische lumineszierende Moleküle aufweisen.
Die Licht emittierende Vorrichtung kann insbesondere dazu vorgesehen sein, weißes oder andersfarbiges Mischlicht zu erzeugen, das durch eine Überlagerung von unkonvertiertem erstem Licht und durch das Wellenlängenkonversionselement erzeugtem zweitem Licht gebildet wird. Darüber hinaus kann es auch möglich sein, dass die Licht emittierende Vorrichtung nur zweites Licht abstrahlt, dass also das erste, vom Licht emittierenden Halbleiterbauelement direkt erzeugte Licht vollständig oder nahezu vollständig, insbesondere zu mehr als 90% oder mehr als 95% oder mehr als 99~6 , vom
Wellenlängenkonversionselement konvertiert wird. In diesem Fall kann die Licht emittierende Vorrichtung je nach
Ausbildung des Wellenlängenkonversionselements ebenfalls
Mischlicht, also Licht mit spektralen Komponenten in mehreren Wellenlängenbereichen, oder auch monochromatisches Licht abstrahlen . Um weißes oder andersfarbiges Licht mit einem
Halbleiterbauelement zu generieren, wird in der Regel
schmalbandiges Licht, das vom Halbleiterbauelement emittiert wird, durch einen Wellenlängenkonverter in Licht in einem anderen Wellenlängenbereich konvertiert. Für die
Lichtkonversion wird der Wellenlängenkonverter in dem
Lichtweg des vom Halbleiterbauelement emittierten Lichts eingebracht. Werden als Material zur Wellenlängenkonversion organische lumineszierende Moleküle verwendet, so ist zu beachten, dass diese Materialien im Vergleich zu
anorganischen Konversionsstoffen typischerweise eine
geringere Stabilität gegenüber Reaktionspartnern,
beispielsweise aus der Luft oder einem Matrixmaterial, eine geringere Strahlung und eine geringere Temperaturstabilität aufweisen können. Typischerweise werden Wellenlängenkonverter in einem Matrixmaterial in den Lichtweg eines
Halbleiterbauelements eingebracht. Im Stand der Technik ist es dazu bekannt, organische Moleküle in dem Matrixmaterial molekular zu lösen, um durch Vermeidung eines sogenannten Konzentrationsquenchings eine hohe Quantenausbeute zu
erreichen. Gleichzeitig darf die chemische Umgebung des organischen lumineszierenden Moleküls nicht zum
strahlungslosen Abbau der Anregungsenergie führen. Dies schränkt die Wahl der Matrixmaterialien im Stand der Technik erheblich ein. Beispielsweise ist es bekannt, ein Matrixmaterial zu benutzen, das eine geringe Permeabilität gegenüber Sauerstoff und Wasser besitzt. Dadurch wird
verhindert, dass Reaktionspartner zur chemischen Zersetzung der organischen lumineszierenden Moleküle zur Verfügung stehen. Ebenso können das Matrixmaterial oder das ganze
Bauteil durch ein nicht permeables Material wie
beispielsweise Parylene gekapselt werden. Jedoch ist es bei der Verwendung üblicher Matrixmaterialien, in denen
organische lumineszierende Moleküle gelöst sind, derzeit nicht bekannt, wie die organischen Materialien in einem üblichen Gehäuse wie beispielsweise einem LED-Gehäuse in ausreichendem Maße vor irreversibler Degradation geschützt werden können.
Bei der hier beschriebenen Licht emittierenden Vorrichtung hingegen werden die organischen lumineszierenden Moleküle, die insbesondere im angeregten Zustand sehr reaktiv gegenüber anderen Reaktionspartnern wie beispielsweise Sauerstoff, Wasser, funktionellen Gruppen eines umgebenden
Matrixmaterials, Schwefelwasserstoff und anderen Stoffen sein können, durch eine Verkapselung in dem Material, durch das die Nanopartikel im Wesentlichen gebildet werden, also insbesondere beispielsweise Si02-basiertes Material, vor Zersetzungsreaktionen geschützt. Insbesondere wird mit dem beschriebenen Glas-artigen oder Glas-ähnlichen Material als Grundmaterial für die Nanopartikel ein chemisch sehr inertes Material verwendet. Da organische Farbstoffe in großen Mengen sehr preiswert herzustellen sind, stellt die Verwendung der hier beschriebenen Nanopartikel entsprechend eine sehr preiswerte Konversionsmöglichkeit dar, da sich die
Nanopartikel ebenfalls in großem Maßstab herstellen lassen. Darüber hinaus sind organische Farbstoffe in praktisch jeder Emissionswellenlänge und mit Emissionsspektren bekannt, die von sehr breit, beispielsweise im Fall von Alq3, bis sehr schmal, beispielsweise im Fall von Eu3+-Komplexen, gestaltet werden können. Dadurch ist es möglich, bei der hier
beschriebenen Licht emittierenden Vorrichtung organische lumineszierende Moleküle als Wellenlängenkonversionsmaterial in Verbindung mit einem Licht emittierenden
Halbleiterbauelement nutzbar zu machen, wobei diese
Materialien durch die Verwendung der Nanopartikel eine verbesserte Stabilität aufweisen und so durch mechanisches Einmischen in einer großen Auswahl von Matrixmaterialien verarbeitet werden können.
Bei der Lichtkonversion entsteht durch den so genannten
Stokes-Shift in einem Farbstoff üblicherweise Wärme. Diese kann bei der hier beschriebenen Licht emittierenden
Vorrichtung direkt von den organischen lumineszierenden
Molekülen an das umgebende, bevorzugt gut wärmeleitfähige Nanopartikel-Material abgegeben werden. Ein Nanopartikel kann dann die Wärme an ein größeres Volumen verteilen, die
beispielsweise durch eine die Nanopartikel umgebende und gegebenenfalls schlecht wärmeleitende Matrix wie
beispielsweise Silikon oder ein anderes Material gebildet sein kann. Da die organischen lumineszierenden Moleküle in den Nanopartikeln eingebettet sind, ist eine chemische oder physikalische Verträglichkeit des organischen Farbstoffs mit einem die Nanopartikel umgebenden Matrixmaterial nicht notwendig, so dass bei dem hier beschriebenen
Wellenlängenkonversionselement eine beliebige Kombination von organischen lumineszierenden Molekülen und einem
Matrixmaterial verwendet werden können. Weiterhin sind, wie weiter unten beschrieben ist, viele unterschiedliche Prozesse möglich, mit denen die Nanopartikel in den Lichtweg des Licht emittierenden Halbleiterbauelements eingebracht werden können. Energietransferprozesse zu einem die Nanopartikel umgebenden Matrixmaterial, die bei einer direkten Einbettung der organischen lumineszierenden Moleküle in einem Matrixmaterial zu einem Effizienzverlust führen könnten, werden durch das fotophysikalisch inerte
Nanopartikelmaterial verhindert. Beispielsweise bei der
Verwendung von Si02-basiertem Material zeichnet sich dieses durch eine hohe Bandlücke und durch die Anwesenheit von nur wenigen oder gar keinen OH-Gruppen aus. Weiterhin ist es auch möglich, die Nanopartikel mit einer engen und kontrollierten Größenverteilung herzustellen, wodurch die Verarbeitbarkeit von Matrixmaterialien, die die Nanopartikel enthalten, erleichtert wird. Darüber hinaus weist S1O2 im Vergleich m Brechungsindex der meisten gebräuchlichen Matrixmaterialien einen nahezu gleichen Brechungsindex auf, so dass eine
Lichtstreuung im Wellenlängenkonversionselement an den
Nanopartikeln vermieden werden kann. Streueigenschaften des
Wellenlängenkonversionselements können somit durch Zugabe von Streupartikeln, wie weiter unten beschrieben ist, gezielt eingestellt werden, so dass das Abstrahlprofil und die Farbe beziehungsweise der Konversionsgrad des
Wellenlängenkonversionselements getrennt voneinander
angepasst und optimiert werden können. Durch den Einschluss der organischen lumineszierenden Moleküle in die Nanopartikel sind diese unabhängig vom enthaltenen Farbstoff
gesundheitlich unbedenklich.
Als organische lumineszierende Moleküle werden hier und im Folgenden sowohl reine organische Moleküle als auch organische Moleküle mit Metall-Atomen, also metallorganische Moleküle mit einem oder mehreren Metallzentren, verstanden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weisen die organischen lumineszierenden Moleküle eines oder mehrere der folgenden Materialien auf: Acridin-Farbstoffe, Acridinon-Farbstoffe, Anthrachino-Farbstoffe, Anthracen-Farbstoffe, Cyanin- Farbstoffe, Dansyl-Farbstoffe, Squaryllium-Farbstoffe,
Spiropyrane, Boron-dipyrromethane (BODIPY) , Perylene, Pyrene, Naphthalene, Flavine, Pyrrole, Porphyrine und deren
Metallkomplexe, Diarylmethan-Farbstoffe, Triarylmethan- Farbstoffe, Nitro-Farbstoffe, Nitroso-Farbstoffe,
Phthalocyanin-Farbstoffe, Metallkomplexe von Phthalocyaninen, Quinone, Azo-Farbstoffe, Indophenol-Farbstoffe, Oxazine, Oxazone, Thiazine, Thiazole, Fluorene, Flurone, Pyronine, Rhodamine, Coumarine.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weisen die organischen lumineszierenden Moleküle Übergangsmetallkomplexe mit
organischen Liganden auf. Eine Vielzahl solcher Materialien emittieren aus einem Triplett-Zustand . Durch den damit verbundenen verbotenen Übergang besitzen diese Materialien in der Regel eine lange Lumineszenzlebensdauer. Bevorzugt werden als Übergangsmetall eines oder mehrere ausgewählt aus Rh, Os, Ru, Ir, Pd und Pt verwendet. Besonders bevorzugt können beispielsweise Ir(III), Os(II), Pt(II), Ru(II) verwendet werden. Darüber hinaus sind auch andere Übergangsmetalle möglich. Besonders bevorzugt sind die organischen Liganden ausgewählt aus einem oder mehreren Materialien, die
abgeleitet sind von folgenden Grundgerüsten: Porphyrine,
Porphine, 2 , 2-Bipyridine, 2-Phenylpyridine, 3- (Thiazol-2-yl) , 3- (Benzothiazol-2-yl) , 3- (Imidazol-2-yl) , 3- (Benzimidazol-2- yl) , Pyridylazolate . Hierbei können die organischen Liganden die Ladungsneutralität des Wellenlängenkonversionsmaterials erzeugen oder die Metallzentren können zusätzlich Gegenionen tragen. In den einzelnen Metallkomplexen können auch
Mischungen von verschiedenen Liganden vorliegen, besonders bevorzugt aus den vorab genannten Klassen von organischen Liganden .
Als reine organische Moleküle für die organischen
lumineszierenden Moleküle kommen bevorzugt Perylene-Imide und Perylene-Carboxylate in Frage. Im Fall von
Übergangsmetallkomplexen für die organischen lumineszierenden Moleküle sind besonders bevorzugt:
- Tris [4, 7-diphenyl-l , 10-phenanthrolin] ruthenium (II) chlorid;
Iridium (III) bis (2-phenylquinolyl) -2-N, C2 'acetylacetonat; - Bis [2- (2 ' -benzothienyl) -pyridinato- N, C3 ' ] iridium (acetylacetonat) ;
- Tris(2,5-bis-2'-(9',9'- dihexylfluoren) pyridin) iridium (III) ;
(btp) 2Ir (acac) ;
- (piq)3Ir;
- (piq) 2Ir (acac) ;
- Aluminium-tris ( 8-hydroxychinolin) (Alq3) ;
- Pt (II) tetraphenyltetrabenzoporphyrin;
- Pd (II) tetraphenyltetrabenzoporphyrin;
- [Os (btfp) 2 (dppb) ] ;
- [Os (btfp) 2 (pp2b) ] ;
- [Os (tfp)2 (dppb) ] ;
[Os (ibifp) 2 (dppb) ] . Hierbei bedeuten
- piq: 1-phenylisoquinolinato;
- btp: 2- (2 ' -benzo [4, 5- ] thienyl) pyridinato) ;
- acac: acetylacetonat; - btfp: 5- (benzothiazol-2-yl) -3-trifluoromethylpyrazol;
- dppb : 1 , 2-bis (diphenylphosphino) benzen;
- pp2b: 2-bis (phospholano) benzen;
- tfp: 5- (thiazol-2-yl) -3-trifluoromethylpyrazole;
- ibifp: 5- (l-isopropylbenzimidazol-2-yl) -3- trifluoromethylpyrazol .
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weisen die Nanopartikel Ankermolekülketten auf, durch die die Nanopartikel chemisch und selektiv an vorgewählte chemische Oberflächen anbinden können. Werden passende Ankerketten und Oberflächen,
beispielsweise des Licht emittierenden Halbleiterbauelements, verwendet können in einem selbstlimitierenden Prozess („seif assembling monolayer", SAM) Monolagen von Nanopartikeln erzeugt werden. Dadurch ist der resultierende Farbort der
Licht emittierenden Vorrichtung präzise vorherbestimmbar und das Problem des bekannten „Farb-Binnings" entfällt.
Beispielsweise können die vorgewählten Oberflächen des Licht emittierenden Halbleiterbauelements durch eines oder mehrere der folgenden Materialien gebildet werden: GaN, GaAlAs,
InGaAlP, Si02, A1203, Si3N4, Polysiloxane . Die
Ankermolekülketten können beispielsweise durch eines oder mehrere der folgenden Moleküle gebildet werden: R-OMe, R-OEt, R-Tos, R-Si(OMe)3, R-Si(OEt)3, R-SH, wobei R eine organische Molekülkette mit einer chemischen Verbindung zu den
Nanopartikel bezeichnet und OMe eine Methoxy-Gruppe, OEt eine Ethoxy-Gruppe und Tos eine Tosyl-Gruppe (p-Toluolsulfonyl- Gruppe) bezeichnen. Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das
Wellenlängenkonversionselement ein Matrixmaterial auf, in dem die Nanopartikel angeordnet sind. Als Matrixmaterial können eines oder mehrere der folgenden Materialien verwendet werden: Polyacrylat, Polyolefine, beispielsweise Polyethylen (PE) mit hoher oder niedriger Dichte und Polypropylen (PP) , Polyvinylchlorid (PVC) , Polystyrol (PS) , Polyester,
Polycarbonat (PC), Polyethylenterephthalat (PET),
Polyethersulfon (PES) , Polyethylennaphthalat (PEN),
Polymethylmethacrylat (PMMA) , Polyimid (PI), Polyetherketone wie beispielsweise Polyetheretherketon (PEEK) , Polyamid, beispielsweise Polyphthalamid (PPA) ,
Polycyclohexylendimethylenterephthalat (PCT) , Silikon, Epoxid und flüssigkristallines Polymer („liquid crystalline
polymer", LCP) .
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weisen die Nanopartikel eine Beschichtung auf. Die Beschichtung kann insbesondere um das Grundmaterial des Nanopartikels , also beispielsweise das Si02~basierte Material, herum angeordnet sein und die
Nanopartikel jeweils umhüllen. Beispielsweise kann die
Beschichtung ein anorganisches Material wie etwa AI2O3 aufweisen. Weiterhin kann die Beschichtung auch ein
organisches Material aufweisen. Die Beschichtung kann
beispielsweise eine Aggregation der Nanopartikel verhindern, die Rieselfähigkeit verbessern, den Brechungsindex verändern, und/oder als Wellenlängenfilter dienen, um beispielsweise kurzwelliges erstes Licht, also Anregungslicht,
herauszufiltern, um eine fotochemische Zersetzung der
organischen lumineszierenden Moleküle zu verhindern und/oder um bestimmte Bereiche der Emission des
Wellenlängenkonversionsstoffs zu absorbieren und so das
Spektrum schmalbandiger zu machen.
Weiterhin können im Wellenlängenkonversionselement zusätzlich zu den Nanopartikeln weitere Materialien enthalten sein.
Beispielsweise kann das Wellenlängenkonversionselement weiterhin Streupartikel aufweisen, die insbesondere wie die Nanopartikel im Matrixmaterial verteilt sein können. Als Streupartikel werden hier und im Folgenden solche
partikelförmigen Materialien bezeichnet, die nur zu einer Lichtstreuung beziehungsweise -brechung, nicht aber zu einer Konversion von Licht wie im Falle der Nanopartikel führen. Beispielsweise können die Streupartikel Ti02, I2O3 oder Glaspartikel aufweisen oder daraus sein Durch das Hinzufügen von zusätzlichen Streupartikeln in das Matrixmaterial kann die Lichtstreuung und damit die
Abstrahlcharakteristik im Wellenlängenkonversionselement verändert werden. Weiterhin kann das Matrixmaterial Füllstoffe aufweisen, die eine Aggregation der enthaltenen Partikel verhindern, die den Brechungsindex verändern und/oder die als Wellenlängenfilter dienen können. Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das
Wellenlängenkonversionselement zusätzlich zu den
Nanopartikeln weitere Wellenlängenkonversionsstoffe auf.
Damit können die Nanopartikel als Konversionsmaterial gemeinsam mit anderen Materialien zur Lichtkonversion in der hier beschriebenen Licht emittierenden Vorrichtung verwendet werden. Beispielsweise können die weiteren
Wellenlängenkonversionsstoffe anorganische Leuchtstoffe aufweisen oder daraus sein. Die anorganischen Leuchtstoffe können eines oder mehrere Materialien ausgewählt aus den folgenden Materialien aufweisen: Ce3+ dotierte Granate wie YAG : Ce und LuAG : Ce , beispielsweise (Y, Lu, Gd, Tb)3(Ali_x, Gax) 5 Oi2:Ce3+; Eu2+ dotierte Nitride, beispielsweise
(Ca, Sr) AlSiN3 :Eu2+, (Ca, Ba, Sr) 2Si5N8 : Ee2+; Eu2+ dotierte Sulfide; (Ba, Sr, Ca) Si2Al2N6; (Ba, Sr, Ca)Si202N2; SiAlON; (Ba, Sr, Ca) 2Si04 :Eu2+; (Sr, Ca) AlSiN3*Si2N20; Ca8Mg (Si04) 4C12, Chlorophosphate, BaMgAlioOi7 : Eu (Bariummagnesiumaluminat : Eu, BAM) , (Ba, Sr, Ca) 5 (P04) 3C1 :Eu (SCAP) , Halophosphat . Hierbei kann das Licht emittierende Halbleiterbauelement sowohl die Nanopartikel als auch den anorganischen Leuchtstoff anregen oder beispielsweise nur einen dieser, wobei der entsprechende andere Wellenlängenkonverter dann vom ersten
Wellenlängenkonverter angeregt werden kann. Darüber hinaus können die Nanopartikel gemeinsam mit Halbleiternanopartikeln zur Lichtkonversion verwendet werden.
Die Nanopartikel können im Grundmaterial, also beispielsweise im Si02-basierten Material zusätzlich eines oder mehrere der folgenden Materialen aufweisen: Alkalimetalle,
Erdalkalimetalle, Halogene, Hl, Zr, Hf, Gi, Sn, Pb, B, In, Ga, N, C, P, Ti, Sc, Y, As, Sb, S, Se, H, Deuterium. Die zusätzlichen Elemente und Materialien haben bevorzugt einen Anteil von weniger als 5 % und besonders bevorzugt von weniger als 1 % bezogen auf das Gewicht der Nanopartikel. Weiterhin können in das Nanopartikel-Grundmaterial , also beispielsweise das Si02-basierte Material, zusätzlich
Halbleiter-Nanopartikel eingebracht werden. Gemäß weiteren Ausführungsformen können die Nanopartikel eine oder mehrere der folgenden Eigenschaften aufweisen:
- Die Nanopartikel können durch eine Halbleiteremission
angeregt werden, beispielsweise im blauen, grünen oder roten Spektralbereich, bevorzugt durch eine Emission mit einer Breite („füll width at half maximum", FWHM) von weniger als 120 nm im Bereich von 400 bis 800 nm. - Die Nanopartikel können durch eine breitbandige Emission mit einer Breite (FWHM) von größer oder gleich 120 nm im sichtbaren Bereich angeregt werden.
- Die Nanopartikel können durch eine Infrarotemission
angeregt werden und durch Konversion Licht in einem noch langwelligeren Infrarotbereich konvertieren.
- Die Nanopartikel können Photonen-aufkonvertierende
Farbstoffe beinhalten.
- Die Nanopartikel können mit UV-Licht anregbar sein.
- Die Nanopartikel können thermochrome Farbstoffe
beinhalten .
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das
Wellenlängenkonversionselement unmittelbar auf dem Licht emittierenden Halbleiterbauelement aufgebracht. Das kann insbesondere bedeuten, dass das
Wellenlängenkonversionselement direkt auf einer Oberfläche des Licht emittierenden Halbleiterbauelements aufgebracht ist. Alternativ hierzu ist es auch möglich, dass das
Wellenlängenkonversionselement und damit die Nanopartikel beabstandet zum Licht emittierenden Halbleiterbauelement angeordnet sind. In einer solchen auch als Remote-Anordnung bezeichneten Ausgestaltung können zwischen dem
Wellenlängenkonversionselement und dem Licht emittierenden Bauelement weitere Materialien in Form von Schichten oder beispielsweise eines Vergusses des Licht emittierenden
Halbleiterbauelements angeordnet sein. Darüber hinaus ist es auch möglich, dass beispielsweise ein Gas wie etwa Luft zwischen dem Licht emittierenden Halbleiterbauelement und dem Wellenlängenkonversionselement angeordnet ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weisen die Nanopartikel nur eine einzige Sorte von organischen lumineszierenden Molekülen auf. Alternativ hierzu können die Nanopartikel auch unterschiedliche organische lumineszierende Moleküle
enthalten. Weiterhin ist es auch möglich, dass das
Wellenlängenkonversionselement mehrere unterschiedliche
Nanopartikelgruppen enthält und jede der Nanopartikelgruppen durch Partikel gebildet wird, die dieselben organischen lumineszierenden Moleküle enthalten, wobei die organischen lumineszierenden Moleküle der einzelnen Nanopartikelgruppen verschieden voneinander sind. Mit anderen Worten können mehrere unterschiedliche Partikelgruppen vorhanden sein und jede der Partikelgruppen wird durch Partikel gebildet, die dieselben organischen lumineszierenden Moleküle enthalten. Die unterschiedlichen Partikelgruppen können räumlich
getrennt im Wellenlängenkonversionselement angeordnet sind. Dadurch kann es möglich sein, in den Lichtweg des Licht emittierenden Halbleiterbauelements Nanopartikel mit
unterschiedlichen Farbstoffmolekülen beispielsweise räumlich strukturiert anzuordnen. Dadurch können beispielsweise lateral benachbarte Segmente oder Pixel erzeugt werden.
Beispielsweise kann das Licht emittierende
Halbleiterbauelement als segmentierte monolithische
Halbleiterstruktur ausgebildet sein, die einzeln ansteuerbare Bereiche aufweist. Durch eine Anordnung unterschiedlicher Nanopartikelgruppen auf den einzelnen Segmenten kann die Licht emittierende Vorrichtung als mehrfarbiges Mikrodisplay, beispielsweise als RGB-Mikrodisplay, ausgebildet sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird bei einem
Verfahren zur Herstellung einer Licht emittierenden
Vorrichtung ein Licht emittierendes Halbleiterbauelement bereitgestellt. Weiterhin wird ein
Wellenlängenkonversionselement aufgebracht . Die vorab und im Folgenden beschriebenen Merkmale und
Ausführungsformen gelten gleichermaßen für die Licht
emittierende Vorrichtung und das Verfahren zur Herstellung der Licht emittierenden Vorrichtung.
Zum Aufbringen des Wellenlängenkonversionselements können die Nanopartikel durch zumindest eines oder eine Kombination der folgenden Aufbringverfahren aufgebracht werden:
Dispensierprozess , Aufsprühen, Drucken, Elektrophorese,
Elektrosprühen .
Weiterhin ist es auch möglich, ein vorgefertigtes
Wellenlängenkonversionselement, das die Nanopartikel bereits enthält, aufzubringen. Beispielsweise kann das
Wellenlängenkonversionselement mit den Nanopartikeln hierzu durch einen Druckprozess oder einen Formprozess wie
beispielsweise einen Spritzgussprozess („injection molding"), einen Spritzpressprozess („compression molding"), einen
Transferpressprozess („transfer molding") oder einen Folien- unterstützten Transferpressprozess („foil-assisted transfer molding") hergestellt werden.
Die Nanopartikel können weiterhin mit einem der vorgenannten Materialien in einem Lösungsmittel aufgebracht werden, wobei das Lösungsmittel anschließend entfernt wird. Die
Nanopartikel können weiterhin zusammen mit einem
Matrixmaterial aufgebracht werden oder nach dem Aufbringen der Nanopartikel kann auf diesen ein Matrixmaterial
aufgebracht werden. Darüber hinaus ist es auch möglich, dass das Wellenlängenkonversionselement frei von einem
Matrixmaterial ist. Weitere Vorteile, vorteilhafte Ausführungsformen und
Weiterbildungen ergeben sich aus den im Folgenden in
Verbindung mit den Figuren beschriebenen
Ausführungsbeispielen .
Es zeigen:
Figur 1 eine Licht emittierende Vorrichtung gemäß einem
Ausführungsbeispiel ,
Figuren 2 bis 4 Nanopartikel gemäß weiteren
Ausführungsbeispielen und
Figuren 5 und 6 Licht emittierende Vorrichtungen gemäß
weiteren Ausführungsbeispielen.
In den Ausführungsbeispielen und Figuren können gleiche, gleichartige oder gleich wirkende Elemente jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen sein. Die dargestellten Elemente und deren Größenverhältnisse untereinander sind nicht als maßstabsgerecht anzusehen, vielmehr können einzelne Elemente, wie zum Beispiel Schichten, Bauteile, Bauelemente und Bereiche, zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein.
In Figur 1 ist eine Licht emittierende Vorrichtung 100 gezeigt, die ein Licht emittierendes Halbleiterbauelement 1 aufweist, das im Betrieb erstes Licht in einem ersten
Wellenlängenbereich emittiert. Im Strahlengang des ersten Lichts ist ein Wellenlängenkonversionselement 2 angeordnet, das das erste Licht zumindest teilweise ein zweites Licht in einen zweiten vom ersten Wellenlängenbereich verschiedenen Wellenlängenbereich umwandelt. Das Licht emittierende Halbleiterbauelement 1 kann beispielsweise ein anorganisches Licht emittierendes
Halbleiterbauelement sein. Beispielsweise kann das
anorganische Licht emittierende Halbleiterbauelement eine anorganische Licht emittierende Diode aufweisen oder daraus sein. Die anorganische Licht emittierende Diode kann
beispielsweise einen Licht emittierenden Halbleiterchip aufweisen, der zumindest eine aktive Schicht zur Erzeugung des ersten Lichts umfasst. Der Licht emittierende
Halbleiterchip kann je nach gewünschter abzustrahlender Wellenlänge als Halbleiterschichtenfolge auf der Basis von verschiedenen Halbleitermaterialsystemen hergestellt werden. Für kurzwelliges sichtbares, also insbesondere blaues oder grünes Licht und/oder für ultraviolettes Licht ist eine
Halbleiterschichtenfolge auf Basis von InxGayAli-x-yN besonders geeignet, wobei 0 < x < 1 und 0 < y < 1 gilt. Für grünes bis rotes Licht kann die Halbleiterschichtenfolge beispielsweise InxAlyGai-x-yP mit 0 < x < 1, 0 < y < 1 und x + y < 1
aufweisen, während beispielsweise auf AlGaAs basierendes
Halbleitermaterial, geeignet ist, Licht in einem roten bis infraroten Wellenlängenbereich zu erzeugen.
Insbesondere kann der Licht emittierende Halbleiterchip eine Halbleiterschichtenfolge, besonders bevorzugt eine
epitaktisch gewachsene Halbleiterschichtenfolge, aufweisen oder daraus sein. Dazu kann die Halbleiterschichtenfolge mittels eines Epitaxieverfahrens, beispielsweise
metallorgansicher Gasphasenepitaxie (MOVPE) oder
Molekularstrahlepitaxie (MBE) , auf einem Aufwachssubstrat aufgewachsen und mit elektrischen Kontakten versehen werden. Durch Vereinzelung des Aufwachssubstrats mit der
aufgewachsenen Halbleiterschichtenfolge kann eine Mehrzahl von Licht emittierenden Halbleiterchips bereitgestellt werden. Weiterhin kann die Halbleiterschichtenfolge vor dem Vereinzeln auf ein Trägersubstrat übertragen werden und das Aufwachssubstrat kann gedünnt oder ganz entfernt werden.
Derartige Halbleiterchips, die als Substrat ein
Trägersubstrat anstelle des Aufwachssubstrats aufweisen, können auch als so genannte Dünnfilm-Halbleiterchips
bezeichnet werden. Ein Dünnfilm-Halbleiterchip zeichnet sich insbesondere durch folgende charakteristische Merkmale aus:
an einer zu dem Trägersubstrat hin gewandten ersten
Hauptfläche einer Strahlungserzeugenden
Epitaxieschichtenfolge ist eine reflektierende Schicht aufgebracht oder ausgebildet, die zumindest einen Teil der in der Epitaxieschichtenfolge erzeugten
elektromagnetischen Strahlung in diese zurückreflektiert; die Epitaxieschichtenfolge weist eine Dicke im Bereich von 20ym oder weniger, insbesondere im Bereich zwischen 4 ym und 10 ym auf; und
die Epitaxieschichtenfolge enthält mindestens eine
Halbleiterschicht mit zumindest einer Fläche, die eine Durchmischungsstruktur aufweist, die im Idealfall zu einer annähernd ergodischen Verteilung des Lichtes in der epitaktischen Epitaxieschichtenfolge führt, d.h. sie weist ein möglichst ergodisch stochastisches
Streuverhalten auf.
Ein Dünnfilm-Halbleiterchip ist in guter Näherung ein
Lambert ' scher Oberflächenstrahler. Das Grundprinzip eines Dünnschicht-Leuchtdiodenchips ist beispielsweise in der Druckschrift I. Schnitzer et al . , Appl . Phys . Lett. 63 (16), 18. Oktober 1993, 2174 - 2176 beschrieben. Die Halbleiterschichtenfolge kann als aktiven Bereich
beispielsweise einen herkömmlichen pn-Übergang, eine
Doppelheterostruktur, eine Einfach-Quantentopfstruktur (SQW- Struktur) oder eine Mehrfach-Quantentopfstruktur (MQW-
Struktur) aufweisen. Die Halbleiterschichtenfolge kann neben dem aktiven Bereich weitere funktionale Schichten und
funktionelle Bereiche umfassen, etwa p- oder n-dotierte
Ladungsträgertransportschichten, also Elektronen- oder
Löchertransportschichten, undotierte oder p- oder n-dotierte Confinement- , Cladding- oder Wellenleiterschichten,
Barriereschichten, Planarisierungsschichten, Pufferschichten, Schutzschichten und/oder Elektroden sowie Kombinationen daraus .
Alternativ oder zusätzlich kann das Licht emittierende
Halbleiterbauelement 1 auch ein organisches Licht
emittierendes Halbleiterbauelement, etwa eine organische Licht emittierende Diode (OLED) , aufweisen oder daraus sein. Bezüglich des prinzipiellen Aufbaus eines organischen Licht emittierenden Halbleiterbauelements wird auf die Druckschrift WO 2010/066245 AI verwiesen, die insbesondere in Bezug auf den Aufbau eines organischen Licht emittierenden
Halbleiterbauelements hiermit ausdrücklich durch Rückbezug aufgenommen wird.
Das Wellenlängenkonversionselement 2 weist eine Vielzahl von Nanopartikeln 3 auf. Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Nanopartikel 3 in einem Matrixmaterial 4 angeordnet.
Alternativ hierzu können die Nanopartikel 3 auch ohne das
Matrixmaterial 4 das Wellenlängenkonversionselement 2 bilden und im Strahlengang des ersten Lichts des Licht emittierenden Halbleiterbauelements 1 angeordnet sein. Alternativ zur gezeigten gleichmäßigen Verteilung von Nanopartikeln 3 im Matrixmaterial 4 können diese auch räumlich strukturiert im Matrixmaterial 4 angeordnet sein. Das Wellenlängenkonversionselement 2 kann, wie in Figur 1 gezeigt ist, unmittelbar auf dem Licht emittierenden
Halbleiterbauelement 1 angeordnet sein. Insbesondere kann das Wellenlängenkonversionselement 2 hierzu direkt auf einer oder mehreren Oberflächen des Licht emittierenden
Halbleiterbauelements 1 angeordnet sein. Alternativ hierzu ist auch eine so genannte Remote-Anordnung möglich, bei der das Wellenlängenkonversionselement 2 beabstandet zum Licht emittierenden Halbleiterbauelement 1 angeordnet sein kann. Hierzu können zwischen dem Licht emittierenden
Halbleiterbauelement 1 und dem Wellenlängenkonversionselement 2 andere Materialien beispielsweise in Form von Schichten oder einem Verguss des Licht emittierenden
Halbleiterbauelements 1 vorhanden sein. Darüber hinaus ist es auch möglich, dass beispielsweise zwischen dem Licht
emittierenden Halbleiterbauelement 1 und dem
Wellenlängenkonversionselement 2 ein Gas wie etwa Luft vorhanden ist. Die Licht emittierende Vorrichtung 100 kann weiterhin beispielsweise ein Gehäuse aufweisen, in dem das Licht emittierende Halbleiterbauelement 1 und das
Wellenlängenkonversionselement 2 angeordnet sind (nicht gezeigt) .
Das Matrixmaterial 4 kann beispielsweise eine Silikon- oder Epoxidharz sein, in dem die Nanopartikel 3 eingemischt sind. Alternativ hierzu kann das Matrixmaterial 4 auch eines oder mehrere der oben im allgemeinen Teil genannten Materialien aufweisen . Die Nanopartikel 3 werden im Folgenden in Verbindung mit den Figuren 2 bis 4 näher erläutert, in denen
Ausführungsbeispiele für Nanopartikel gezeigt sind. In Figur 2 ist ein Nanopartikel 3 gezeigt, das ein
Grundmaterial 30 aufweist, in dem organische lumineszierende Moleküle 31 enthalten sind. Insbesondere sind die organischen lumineszierenden Moleküle 31 von dem Grundmaterial 30 eingeschlossen, so dass das Nanopartikel 3 die Moleküle 31 im Inneren aufweist. Das Grundmaterial 30 wird bevorzugt durch ein fotophysikalisch inertes Material, besonders bevorzugt ein glasartiges Material, gebildet. Im gezeigten
Ausführungsbeispiel wird das Grundmaterial 30 durch ein S1O2- basiertes Material gebildet, in dem die organischen
lumineszierenden Moleküle 31 enthalten sind. Das S1O2- basierte Material bildet somit eine Matrix, in der die organischen lumineszierenden Moleküle 31 eingeschlossen und enthalten sind. Hierdurch sind die organischen
lumineszierenden Moleküle 31 von der Umgebung abgekapselt und vor Degradationsprozessen beispielsweise durch Reaktion mit Umgebungsgasen oder dem Matrixmaterial geschützt.
Die organischen lumineszierenden Moleküle 31 können
beispielsweise reine organische Moleküle und/oder organische Moleküle mit Metallatomen, insbesondere
Übergangsmetallkomplexe mit organischen Liganden, aufweisen. Ohne Beschränkung des hier beschriebenen Gegenstandes sei rein beispielhaft auf die folgenden besonders bevorzugten Materialien hingewiesen:
- Perylenimide,
- Perylencarboxylate, - Übergangsmetallkomplexe mit Übergangsmetallen, ausgewählt aus Os(II), Ru(II), Ir(III), Pt(II), und organischen
Liganden, ausgewählt sind aus einem oder mehreren
Materialien, die abgeleitet sind von folgenden
Grundgerüsten: Porphyrine, Porphine, 2 , 2-Bipyridine, 2-
Phenylpyridine, 3- (Thiazol-2-yl) , 3- (Benzothiazol-2-yl) , 3- (Imidazol-2-yl) , 3- (Benzimidazol-2-yl) , Pyridylazolate .
Weiterhin können die organischen lumineszierenden Moleküle 31 alternativ oder zusätzlich auch eines oder mehrere der weiteren oben im allgemeinen Teil genannten Materialien aufweisen .
Zusätzlich zu den organischen lumineszierenden Molekülen 31 können im Grundmaterial 30 weitere Materialien enthalten sein, beispielsweise eines oder mehrere ausgewählt aus den Folgenden: Alkalimetalle, Erdalkalimetalle, Halogene, AI, Zr, Hf, Ge, Sn, Pb, B, In, Ga, N, C, P, Ti, Sc, Y, As, Sb, S, Se, H, Deuterium. Die zusätzlichen Materialien beziehungsweise Elemente weisen bevorzugt einen Anteil von weniger als 5 % und besonders bevorzugt von weniger als 1 % im Grundmaterial 30, also insbesondere im Si02~basierten Material, der
Nanopartikel 3 auf. Weiterhin können zusätzlich
Halbleiternanopartikel in das Si02~Material 30 eingebracht werden .
Die Nanopartikel 3 können beispielsweise in der in Figur 1 gezeigten Licht emittierenden Vorrichtung 100 mit einer speziell gewählten Größenverteilung im
Wellenlängenkonversionselement 2 vorhanden sein.
Beispielsweise können die Nanopartikel 3 eine Größe von größer oder gleich 1 nm und kleiner oder gleich 1000 nm aufweisen. Insbesondere sind Größen zwischen größer oder gleich 1 nm und kleiner oder gleich 100 nm oder größer oder gleich 10 nm und kleiner oder gleich 50 nm besonders
bevorzugt. Alternativ hierzu können die Nanopartikel 3 auch andere oben im allgemeinen Teil genannte Größen aufweisen.
Die Nanopartikel 3 können je nach Anwendung beispielsweise nur eine Sorte von organischen lumineszierenden Materialien 31 beinhalten. Darüber hinaus ist es auch möglich, dass die Nanopartikel 3 eine Mischung von mehreren der genannten organischen lumineszierenden Materialien 31 enthalten können. Insbesondere können die organischen lumineszierenden Moleküle 31 wie oben im allgemeinen Teil beschrieben ausgebildet sein und entsprechend oben beschriebene Eigenschaften aufweisen. In Figur 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel für ein
Nanopartikel 3 gezeigt, dass zusätzlich um das Si02~basierte Material 30 herum eine Beschichtung 32 aufweist, die das Nanopartikel 3 umhüllt. Die Beschichtung 32 kann
beispielsweise aus einem anorganischen Material wie etwa AI2O3 gebildet sein. Weiterhin ist es auch möglich, eine organische Beschichtung 32 zu verwenden. Die Beschichtung 32 kann insbesondere eine oder mehrere der folgenden
Eigenschaften aufweisen: Sie kann beispielsweise eine
Partikelaggregation verhindern, insbesondere in einem
Matrixmaterial. Weiterhin kann die Beschichtung
beispielsweise zu einer Veränderung des Brechungsindex des Wellenlängenkonversionselements führen oder auch als
Wellenlängenfilter dienen. Hierdurch kann es beispielsweise möglich sein kurzwelliges Anregungslicht, also erstes Licht des Licht emittierenden Halbleiterbauelements,
herauszufiltern, um einer fotochemischen Zersetzung der organischen lumineszierenden Moleküle vorzubeugen oder bestimmte Bereiche der Emission der organischen lumineszierenden Moleküle zu absorbieren um das Spektrum des zweiten Lichts schmalbandiger zu machen.
In Figur 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel für ein
Nanopartikel 3 gezeigt, das Ankermolekülketten 33 auf seiner Oberfläche aufweist. Diese können dazu vorgesehen sein, die Nanopartikel 3 chemisch und selektiv an bestimmte chemische Oberflächen anzubinden. Werden passende Ankermolekülketten 32 und Oberflächen, beispielsweise beim Licht emittierenden Halbleiterbauelement, verwendet, können in einem
selbstlimitierenden Prozess Monolagen von Nanopartikeln auf den entsprechenden Oberflächen erzeugt werden. Beispielsweise können Ankermolekülketten mit Methoxy- oder Ethoxygruppen verwendet werden, wie oben im allgemeinen Teil beschrieben ist. Alternativ oder zusätzlich hierzu können auch andere oben im allgemeinen Teil beschriebene Ankermolekülketten verwendet werden, die insbesondere ein Anbinden an die oben im allgemeinen Teil beschriebenen Oberflächenmaterialien ermöglichen können.
Zur Herstellung der Licht emittierenden Vorrichtung 100 gemäß Figur 1 können die Nanopartikel 3 beispielsweise in einer Formulierung mit dem Matrixmaterial 4 in den Lichtweg des Licht emittierenden Halbleiterbauelement 1 durch einen
Dispensierprozess , durch Aufsprühen oder durch einen
Druckprozess aufgebracht werden. Weiterhin ist es auch möglich, die Nanopartikel 3 beispielsweise in einem
elektrischen Spannungsfeld durch Elektrophorese oder
Elektrosprühen in den Lichtweg des Licht emittierenden
Halbleiterbauelements 1 einzubringen. Nach dem Aufbringen der Nanopartikel 3 können diese optional mit einem Matrixmaterial 4 oder, sofern sie bereits mit einem Matrixmaterial 4
aufgebracht wurden, mit einem weiteren Matrixmaterial versehen werden. Darüber hinaus ist es auch möglich, die Nanopartikel 3 in einem volatilen Lösungsmittel aufzubringen, das im Anschluss beispielsweise durch Verdampfen entfernt wird. Durch ein Aufbringen in einem elektrischen
Spannungsfeld oder mit Hilfe eines Lösungsmittels kann es insbesondere auch möglich sein, die Nanopartikel ohne ein Matrixmaterial aufzubringen.
Weiterhin ist es auch möglich, das
Wellenlängenkonversionselement 2 beispielsweise vorzufertigen und als vorgefertigtes Konversionselement anschließend im Lichtweg des Licht emittierenden Halbleiterbauelement 1 anzubringen. Ein vorgefertigtes
Wellenlängenkonversionselement kann beispielsweise durch einen Druckprozess oder durch einen Formprozess hergestellt werden, beispielsweise durch Injection Molding, Compression Molding oder Transfer Molding oder Foil-Assisted Transfer Molding . In Figur 5 ist eine Licht emittierende Vorrichtung 101 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel gezeigt, die im Vergleich zur Licht emittierenden Vorrichtung 100 zusätzlich zu den Nanopartikeln 3 noch Streupartikel 5 aufweist. Diese können beispielsweise durch ein farbloses, also nur lichtstreuendes Material wie beispielsweise Ti02, AI2O3 oder Glaspartikel gebildet werden. Durch Hinzufügen von zusätzlichen
Streupartikeln 5 kann das Abstrahlprofil und der
Konversionsgrad des Wellenlängenkonversionselements 2
getrennt voneinander angepasst und optimiert werden.
Weiterhin kann das Wellenlängenkonversionselement 2
zusätzlich oder alternativ noch weitere Füllstoffe enthalten, die beispielsweise eine Aggregation der Nanopartikel 3 verhindern, den Brechungsindex verändern oder als Wellenlängenfilter dienen können.
Zusätzlich oder alternativ ist es auch möglich, dass das Wellenlängenkonversionselement 2 neben den Nanopartikeln 3 als Konversionsmaterial noch andere Materialien zur
Lichtkonversion enthält. Beispielsweise können anorganische Wellenlängenkonversionsstoffe wie die oben im allgemeinen Teil beschriebenen Leuchtstoffe zusätzlich zu den
Nanopartikeln 3 im Wellenlängenkonversionselement 2 enthalten sein .
In Figur 6 ist eine Licht emittierende Vorrichtung 102 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel, die im Vergleich zu den Licht emittierenden Vorrichtungen 100 und 101 der Figuren 1 und 5 ein Licht emittierendes Halbleiterbauelement 1
aufweist, das getrennt voneinander ansteuerbare Segmente 11, 12, 13 aufweist. Diese können beispielsweise als Segmente einer monolithisch hergestellten Halbleiterstruktur
ausgebildet sein und getrennt voneinander elektrisch
kontaktierbar sein. Entsprechend ist auch das
Wellenlängenkonversionselement 2 in Segmente 21, 22, 23 unterteilt, die auf den Segmenten 11, 12, 13 des Licht emittierenden Halbleiterbauelements 1 angeordnet sind. Die Segmente 21, 22, 23 enthalten jeweils eine Partikelgruppe mit Nanopartikeln 3, die innerhalb der Gruppen gleich sind, während die Partikelgruppen unterschiedlich zueinander ausgebildet sind und Nanopartikel 3 mit unterschiedlichen organischen lumineszierenden Materialien aufweisen. Hierdurch ist es möglich, dass die Segmente 21, 22, 23 voneinander unterschiedliches zweites Licht abstrahlen, so dass zusammen mit dem segmentierten Licht emittierenden
Halbleiterbauelement 102 ein mehrfarbiges Display, beispielsweise ein RGB-Mikro-Display, verwirklicht werden kann .
Die in den Ausführungsbeispielen beschriebenen Merkmale können gemäß weiteren Ausführungsbeispielen auch miteinander kombiniert sein, auch wenn derartige Kombinationen nicht explizit in den Figuren gezeigt sind. Weiterhin können die in den Figuren beschriebenen Ausführungsbeispiele zusätzliche oder alternative Merkmale gemäß der allgemeinen Beschreibung aufweisen.
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele auf diese beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den
Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.

Claims

Patentansprüche
1. Licht emittierende Vorrichtung, aufweisend
- ein Licht emittierendes Halbleiterbauelement (1), das im Betrieb erstes Licht in einem ersten Wellenlängenbereich emittiert und
- im Strahlengang des ersten Lichts angeordnet ein
Wellenlängenkonversionselement (2), das das erste Licht zumindest teilweise in zweites Licht in einem zweiten vom ersten Wellenlängenbereich verschiedenen
Wellenlängenbereich umwandelt,
wobei das Wellenlängenkonversionselement (2) Nanopartikel (3) aufweist, die organische lumineszierende Moleküle (31) in einem Grundmaterial (30), das aus einem S1O2- basierten Material gebildet wird, enthalten.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Nanopartikel (3) eine Beschichtung (32) auf dem Grundmaterial (30) aufweisen .
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Beschichtung (32) eine oder mehrere der folgenden Eigenschaften aufweist: Verhinderung einer Partikelaggregation, Erhöhung der Rieselfähigkeit der Partikel, Veränderung eines
Brechungsindex der Nanopartikel, Wellenlängenfilter.
4. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Wellenlängenkonversionselement (2) ein
Matrixmaterial (4) aufweist, in dem die Nanopartikel (3) angeordnet sind.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei das
Wellenlängenkonversionselement (2) im Matrixmaterial (4) Füllstoffe mit einer oder mehreren der folgenden
Eigenschaften aufweist: Verhinderung einer
Partikelaggregation, Veränderung eines Brechungsindex des Wellenlängenkonversionselements, Wellenlängenfilter.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Wellenlängenkonversionselement (2) weiterhin
Streupartikel (5) aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei zumindest einige Nanopartikel (3) jeweils eine Mehrzahl von unterschiedlichen organischen lumineszierenden
Molekülen (31) enthalten.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei im Wellenlängenkonversionselement (2) mehrere
unterschiedliche Partikelgruppen vorhanden sind und jede der Partikelgruppen durch Nanopartikel (3) gebildet wird, die dieselben organischen lumineszierenden
Moleküle (31) enthalten.
Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei die unterschiedlichen Partikelgruppen räumlich getrennt im
Wellenlängenkonversionselement (2) angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die organischen lumineszierenden Moleküle (31) eines oder mehrere der folgenden Materialien aufweisen:
Acridin-Farbstoffe, Acridinon-Farbstoffe, Anthrachino- Farbstoffe, Anthracen-Farbstoffe, Cyanin-Farbstoffe, Dansyl-Farbstoffe, Squaryllium-Farbstoffe, Spiropyrane, Boron-dipyrromethane, Perylene, Pyrene, Naphthalene, Flavine, Pyrrole, Porphyrine und deren Metallkomplexe, Diarylmethan-Farbstoffe, Triarylmethan-Farbstoffe,
Nitro-Farbstoffe, Nitroso-Farbstoffe, Phthalocyanin- Farbstoffe, Metallkomplexe von Phthalocyaninen, Quinone, Azo-Farbstoffe, Indophenol-Farbstoffe, Oxazine, Oxazone, Thiazine, Thiazole, Fluorene, Flurone, Pyronine,
Rhodamine, Coumarine.
11. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei
- die organischen lumineszierenden Moleküle (31)
Übergangsmetallkomplexe mit organischen Liganden
aufweisen,
- die Übergangsmetalle ausgewählt sind aus Rh, Os, Ru, Ir,
Pd, Pt und
- die organischen Liganden ausgewählt sind aus einem oder
mehreren Materialien, die abgeleitet sind von folgenden Grundgerüsten: Porphyrine, Porphine, 2 , 2-Bipyridine, 2- Phenylpyridine, 3- (Thiazol-2-yl) , 3- (Benzothiazol-2-yl) , 3- (Imidazol-2-yl) , 3- (Benzimidazol-2-yl) ,
Pyridylazolate .
12. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Nanopartikel (3) Ankermolekülketten (33) aufweisen, durch die die Nanopartikel (3) chemisch und selektiv an vorgewählte chemische Oberflächen anbinden.
13. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Wellenlängenkonversionselement (2) zusätzlich zu den Nanopartikeln (3) weitere anorganische
Wellenlängenkonversionsstoffe aufweist .
14. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Licht emittierende Halbleiterbauelement (1) eine anorganische Licht emittierende Diode aufweist.
15. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Licht emittierende Halbleiterbauelement (1) eine organische Licht emittierende Diode aufweist.
16. Verfahren zur Herstellung einer Licht emittierenden
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 15 mit den Schritten :
- Bereitstellen des Licht emittierenden Halbleiterbauelements
(1) ,
- Aufbringen des Wellenlängenkonversionselements (2), wobei die Nanopartikel (3) durch zumindest eines oder eine Kombination der folgenden Aufbringverfahren aufgebracht werden :
Dispensierprozess , Aufsprühen, Drucken, Elektrophorese, Elektrosprühen, Aufbringen eines vorgefertigten
Wellenlängenkonversionselements (2) mit den
Nanopartikeln (3) .
17 Verfahren nach Anspruch 16, bei dem die Nanopartikel (3) in einem Lösungsmittel aufgebracht werden, das
anschließend entfernt wird.
Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, bei dem die
Nanopartikel (3) zusammen mit einem Matrixmaterial (4) aufgebracht werden.
19 Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, bei dem ein
Matrixmaterial (4) nach dem Aufbringen der Nanopartikel (3) auf die Nanopartikel (3) aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 16, bei dem das
Wellenlängenkonversionselement (2) mit den Nanopartikeln durch einen Druckprozess oder einen Formprozess gefertigt wird.
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