WO2018158114A1 - Optoelektronisches bauelement und verfahren zur herstellung eines optoelektronischen bauelements - Google Patents

Optoelektronisches bauelement und verfahren zur herstellung eines optoelektronischen bauelements Download PDF

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WO2018158114A1
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glass matrix
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Florian Peskoller
Jörg FRISCHEISEN
Thomas HUCKENBECK
Michael Schmidberger
Jürgen Bauer
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Osram Gmbh
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    • H01S5/32341—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising PN junctions, e.g. hetero- or double- heterostructures in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser emitting light at a wavelength less than 900 nm blue laser based on GaN or GaP

Definitions

  • the invention relates to an optoelectronic component. Furthermore, the invention relates to a method for producing an optoelectronic component.
  • LARP applications Laser Activated Remote Phosphor
  • Radiation angle, efficiency and / or stability e.g., to humidity, radiation, temperature, chemical
  • Object of the present invention is a
  • opto-electronic device which is suitable for LARP applications, in particular for LARP applications is stable or has a high luminance. Further is The object of the invention to provide a method for producing an optoelectronic component which generates a stable optoelectronic component. These objects are achieved by an optoelectronic component according to independent claim 1.
  • Optoelectronic device according to claim 17 solved.
  • Advantageous embodiments and / or further developments of the method are the subject of the dependent claim 18.
  • Optoelectronic device on at least one laser source which emits at least one laser beam in operation.
  • the component has a cantilevered conversion element, which is arranged in the beam path of the laser beam.
  • the cantilevered conversion element has a substrate and subsequently a first layer.
  • the first layer is directly connected to the substrate.
  • the first layer has at least one conversion material that is in a
  • the glass matrix has a proportion of between 50% by volume and 80% by volume (calculated without pores) in the first layer.
  • the substrate is free of the glass matrix and the conversion material and serves for mechanical
  • the first layer has a layer thickness of less than 200 ym.
  • the device may optionally be mechanically immovably mounted with respect to the laser source or light source.
  • the laser source preferably including primary beam-guiding optics, can have at least one laser beam, which has its
  • Beam direction can vary. The variation of
  • Beam direction can be realized by different technologies. This includes e.g. MEMS (micro-electro-mechanical system) elements or piezo drives, but also polygon mirrors or rotating rollers, but also typical technologies used in CD and Blue Ray players such as “Voice Coil Actuators” can be used here
  • the conversion element may be in a transmissive or reflective configuration
  • the described conversion element in combination with such technologies in one system, can be used particularly advantageously in scanning LARP systems,
  • the deflection is preferably or exclusively by the movement of either one or more optical elements, e.g. Mirrors and / or lenses.
  • Direct means here that no further layers or elements are arranged between the first layer and the substrate.
  • the first layer can be adhesively bonded to the substrate. It will not be the first layer on the substrate with an extra
  • the substrate can be more
  • the coating can be dichroic
  • the substrate may additionally or alternatively have an antireflection coating.
  • Conversion element comprising organic matrix materials such as silicones or epoxies.
  • Very thin layers which have a high proportion of conversion material in the glass matrix, can be produced.
  • the conversion element can have a high light scattering and is preferably exclusively made
  • Viscosity are processed and therefore thinner and higher filled with the conversion material than a formed in a substrate without conversion element.
  • the substrate and the matrix material have a good moisture stability.
  • the substrate has a higher softening temperature and / or a higher one
  • the glass matrix has a certain
  • Residual porosity ie it is low in pores but never quite porous.
  • the surface of the glass matrix can be largely closed and relatively smooth.
  • Beam deflection elements a targeted control of the light distribution can be achieved, including the switching off and / or dimming of the laser and thus the resulting light distribution in certain areas. This can be used to other road users
  • ECE-R 123 are removed, for example, the application of the conversion elements in a headlight. But other light distributions, such as low beam or fog light, require sufficient sharpness and contrast in the vertical direction in order to meet the legal requirements of ECE-R 19 and ECE-R 112. Alternatively, the excitation can be static. In this case, the remains
  • Excitation surface of the laser beam on the conversion element spatially constant.
  • the mixture of converted light and optionally remaining excitation light can encounter other optical elements, for example for beam shaping or focusing.
  • the mixture may encounter optical components such as MEMS or polygon mirror in order to realize a spatial and / or temporal modulation of the radiation on the surface to be illuminated,
  • the component has at least one wavelength-converting conversion material.
  • the conversion material absorbs radiation having a first dominant wavelength (and possibly a
  • Laser source and at least partially converts this into radiation having a second dominant wavelength (and possibly a surrounding spectral range), which is preferably greater than the first dominant wavelength.
  • Wavelength is known to the person skilled in the art and is therefore not explained in detail at this point.
  • conversion materials may preferably be inorganic materials with
  • wavelength-converting properties are used.
  • garnet, orthosilicate and / or nitridosilicate is suitable as the conversion material.
  • more than one conversion material for example at least two conversion materials, may also be present in the conversion element.
  • at least two different conversion materials are embedded in the glass matrix.
  • the conversion material may be capable of
  • Radiation of the laser source in particular a laser beam or multiple laser beams to completely absorb and emit with a changed longer wavelength.
  • a so-called full conversion takes place here, ie that the radiation of the laser source does not contribute to less than 5% of the resulting total radiation.
  • the conversion material is capable of partially absorbing the radiation of the laser source, so that the total radiation emerging from the conversion element is composed of the laser radiation and the converted radiation. This can also be called partial conversion.
  • the total radiation can be white mixed light.
  • the first layer may have a surface facing away from the substrate.
  • the first layer can be structured.
  • the first layer may be polished, ground, etched and / or
  • the surface of the first layer is formed rough. This can be the
  • a smooth surface can be helpful for sequential coatings.
  • a smooth surface may also provide sufficiently good light extraction if the refractive index difference of glass matrix and phosphor is greater than or equal to 0.1 or greater, or equal to or greater than 0.15 or equal to or greater than or equal to 0.25 or greater 0.3 or greater than or equal to 0.35 or greater than or equal to 0.4 or greater than or equal to 0.5 or greater than or equal to 0.55 or greater or equal to 0.6, so that light on the
  • Phosphors can be scattered. A better
  • Difference in refractive index can also be achieved by adding Scattering particles are achieved in the glass matrix. Here then lies the corresponding refractive index difference between
  • Refractive index difference of glass matrix and air as small as possible, for example less than or equal to 1.0 or less than or equal to 0.9 or less than or equal to 0.8 or less than or equal to 0.7 or less than or equal to 0.6 or less than or equal to 0, 55 or less than or equal to 0.5.
  • Decoupling against air can also be achieved or at least positively supported, for example, by an antireflection layer applied to the first layer and / or by a scattering layer.
  • the first layer has a layer thickness of less than 200 ym.
  • the layer has a layer thickness of not more than 150 ⁇ m for partial conversion or a layer thickness of not more than 140 ⁇ m or not more than 130 ⁇ m or not more than 120 ⁇ m or not more than 110 ⁇ m, more preferably not more than 100 ⁇ m or preferably not more than 90 ⁇ m or not more than 80 ⁇ m or more 70 ym or a maximum of 60 ym or a maximum of 50 ym or a maximum of 45 ym or a maximum of 40 ym or a maximum of 35 ym or a maximum of 30 ym or a maximum of 25 ym or a maximum of 20 ym.
  • the first layer has a layer thickness of not more than 200 ym for
  • the substrate can be formed transmissive or transparent. As transparent here and below is a substrate
  • Internal transmission here means the transmission without
  • the substrate may also be reflective, preferably with a reflectance of between 0.95 and 1.
  • materials selected from the following group may be used: sapphire, ceramics, glass, glassy materials, glass ceramics, other transparent or translucent materials .
  • the substrate may comprise one or a combination of the following materials: alumina, polycrystalline alumina, ceramics, aluminum, copper, metals, high reflectivity aluminum with deposited layer system, e.g. silver.
  • the reflective shaped substrates are suitable for the so-called reflective LARP and the transparent substrates for the transmissive LARP.
  • the substrate may be glass, glass-ceramic, sapphire, metal or ceramic.
  • the substrate is glass or sapphire.
  • Borosilicate glass such as, for example, D263, D263T or D263TECO from Schott or. Can be used as the glass
  • an aluminosilicate glass such as AS87 eco from Schott can be used.
  • glassy materials, polycrystalline alumina or other transparent or translucent materials may also be used.
  • the substrate should be a good one Stability to moisture, radiation and / or high
  • the substrate has a high thermal conductivity of> 0.2 W / (m * K), preferably ⁇ 0.5 W / (m * K), particularly preferably> 0.7 W / (m * K) or> 1.0 W / (m * K) or> 4.0 W / (m * K) or> 10 W / (m * K).
  • Glass has the lowest thermal conductivity.
  • the substrate may have good resistance to moisture,
  • no significant change means no measurable change or one to a maximum of 5%
  • Wavelength range The same applies to the long-term temperature resistance at 180 ° C, better> 200 ° C for> 1 h, better> 5h, ideally ⁇ 10h, as well as for the
  • Diamond has a thermal conductivity of about 2300 W / (m * K), sapphire of about 40 W / (m * K). Both are very well suited as transparent materials. Glass has a thermal conductivity of approximately 0.75 W / (m * K) depending on the material.
  • the thickness of the first layer is the thickness of the first layer
  • Substrate between 50 ym to 700 ym, preferably between 100 to 500 ym.
  • the substrate can be structured.
  • the substrate may be a structured sapphire substrate or may be formed as one or more microlenses that may be on the Surface are structured.
  • the substrate can be
  • Angle emission characteristic or a beam shaping in one or different directions are generated.
  • the surface of the substrate may be, for example, by means of roughening,
  • Sandblasting, grinding, polishing or etching are modified.
  • the substrate may have a coating.
  • Coating may for example have a scattering layer to increase the light extraction.
  • the substrate has a coupling-out film.
  • Beam serve the radiation emitted by the laser source and direct the beam in a certain direction.
  • the substrate may have a thin coating, for example, the glass matrix that is applied after polishing.
  • the substrate has a coating.
  • the coating may, for example, have a scattering layer in order to increase the light extraction.
  • the coating can also be an encapsulation.
  • Encapsulation is intended to protect against environmental influences, such as moisture.
  • the substrate has functional coatings, such as dichroic coatings, interference coatings, or
  • Anti-reflective coatings on. These coatings may have antireflective properties or filter properties.
  • the substrate may be a dielectric
  • Main radiation exit surface is opposite and reflected back a part of the radiation passed through the substrate, so as to have a more homogeneous edge emission and / or higher
  • the substrate may be dielectric
  • Dichroic coating or the stack of layers between the substrate and the glass matrix is arranged and the excitation by means of laser beam from the substrate side takes place.
  • a higher efficiency can be achieved because the
  • Transmission of the exciting laser beam can be increased and the direction substrate emitted or scattered
  • a reflective layer can also be present between the substrate and the first layer, which, ideally alone or in combination with the substrate, ideally reflects the primary and secondary radiation well. Such a reflective layer can
  • a silver layer For example, be a silver layer or a
  • Substrate have both a dichroic coating or a layer stack and a reflective layer. This option is also possible with a substrate that is already highly reflective, as it can increase efficiency, for example.
  • the changes of the substrate described here can take place individually or else in combination, so that both the substrate side facing the main radiation exit surface and the opposite substrate side can be changed simultaneously or individually.
  • the dichroic coating may be on the first
  • a dichroic coating consists of several thin layers with refractive index differences to use interference for the wavelength-dependent and direction-dependent variation of the radiation in the system.
  • the dichroic coating can have two main functions
  • the component has a substrate, on which the glass matrix is arranged, wherein the laser beam strikes the conversion material and at least partially converts the laser radiation into radiation of changed longer wavelength, and wherein the
  • the substrate has a filter that can selectively absorb wavelengths.
  • the substrate material may be a filter glass, for example a shortpass, longpass or bandpass filter. This may be advantageous especially at full conversion when the substrate is the light emitted by the laser source
  • Decoupling film and / or other coatings may be applied additionally or alternatively on one or both sides of the first layer and / or on the edges of the first layer. According to at least one embodiment, the
  • Conversion material and / or the glass matrix on the substrate by means of doctoring, screen printing, stencil printing, dispensing,
  • the conversion element is self-supporting.
  • cantilever is here and below referred to that the conversion element carries itself and no further
  • Conversion element can be processed in the so-called pick-and-place process without further support. According to at least one embodiment, the
  • Conversion element scattering particles or fillers on.
  • the scattering particles or fillers are Conversion element scattering particles or fillers.
  • Fillers may have a different shape, for example spherical, rod-shaped or
  • the particle size can be between a few nanometers to a few tens of micrometers. Smaller particles can be used to reduce the viscosity of the
  • Thickness homogeneity contribute.
  • the scattering can be changed and / or the mechanical stability can be improved. According to at least one embodiment, the
  • Conversion element made of several layers, which may vary in layer thickness, compactness, glass matrix, conversion material, scatterers and / or fillers.
  • Conversion element on a glass matrix In the glass matrix, the conversion material is introduced, preferably
  • the conversion material can be found in the
  • Concentration gradients for example, in the direction away from the laser source, an increase in the concentration of
  • Conversion material in the glass matrix have.
  • the backscatter can be reduced.
  • the backscatter of the blue light that is the light emitted by the laser beam, can be reduced.
  • the conversion material preferably has no organic dyes as conversion material.
  • the glass matrix is free of organic materials.
  • the glass matrix is free of silicone and / or epoxy. This is an advantage as silicones and epoxides can degenerate under the action of blue light. They do this especially under the
  • the spot comes to stand, increased many times. According to at least one embodiment, the
  • Conversion element Surfaces that are smoothed or planarized. This can be done for example by grinding or polishing. This can be beneficial to
  • the mean diameter (d50 value) can be between 0.5 and 50 ⁇ m, preferably between 2 and 40 ⁇ m, in particular between 3 and 25 ⁇ m.
  • d50 value can be between 0.5 and 50 ⁇ m, preferably between 2 and 40 ⁇ m, in particular between 3 and 25 ⁇ m.
  • Conversion materials may be present, which have different emission spectra.
  • Structuring step can grind the particles of the conversion material and damage it.
  • a protective layer or encapsulant may be applied to increase the stability of the conversion materials.
  • the conversion element may have a certain porosity.
  • In the pores may be a material such as a polymer such as silicone or polysilazane or polysiloxane or ormocer or parylene, or generally a material that has a low light absorption in the wavelength range of Excitation wavelength or the converted light, are introduced.
  • Conversion element can be applied to the pores of the
  • the coating may comprise the same material as the glass matrix of the first layer.
  • the coating may also have a filler. Additionally or alternatively, the edges of the conversion element can be coated, for example by means of molding or casting. This can for example
  • Conversion element attached.
  • Further layers may be disposed between the substrate and the first layer, for example, protective layers that may protect the substrate from a hard conversion material.
  • a protective layer may be, for example, aluminum oxide or silicon dioxide.
  • the lateral extent of the conversion element can be
  • the first layer has a glass matrix.
  • the glass matrix preferably has a proportion of 80 to 50% by volume in the first layer (without any pores present).
  • the glass matrix has a good moisture stability.
  • the proportion of the glass matrix in the first layer is greater than 0% by volume and less than 100% by volume, preferably between 50% by volume and 80% by volume (limits included), or 40 or 45
  • Conversion material in the first layer can be between 0
  • the first layer has a layer thickness of ⁇ 200 ⁇ m.
  • the layer thickness -S is 150 ym or ⁇ 100 ym.
  • Layer thickness limit is based rather on the desired degree of conversion for a certain amount
  • the substrate has a higher softening temperature than the softening temperature of the glass matrix. This can be used as a paste or
  • the component has a dichroic layer stack that is between
  • Substrate and glass matrix is arranged,
  • the laser beam transmits the glass matrix and the dichroic layer stack and the conversion material embedded in the glass matrix at least partially converts the transmitted radiation into radiation of changed longer wavelength, wherein the converted radiation is reflected by the dichroic layer stack at least partially, in particular more than 80%.
  • the substrate is arranged between the laser source and the first layer.
  • the first is preferably
  • the substrate is arranged between the laser source and the first layer, in particular for transmissive arrangements.
  • the first layer is arranged between the laser source and the substrate, in particular for reflective arrangements.
  • the first layer has a surface facing away from the substrate, which is structured or surface-treated. This is understood here in particular that the surface is smoothed. The smoothing can be done for example by polishing, grinding, etching or general structuring or coating.
  • the glass matrix is oxidic and comprises or consists of at least one of the following materials or combinations: lead oxide, bismuth oxide, boron oxide, silicon dioxide, tellurium dioxide, Zinc oxide, phosphorus pentoxide, alumina. This one
  • the glass matrix comprises zinc oxide.
  • the glass matrix is free of lead oxide.
  • the glass matrix comprises or consists of zinc oxide (ZnO), boron oxide (B2O3) and silicon dioxide (S1O2).
  • the glass matrix comprises zinc oxide, at least one glass former and one
  • the glass former may, for example, be boric acid, silicon dioxide, phosphorus pentoxide, germanium dioxide, bismuth oxide, lead oxide and / or telluride oxide.
  • the network transducer or intermediate oxide may be selected from the following group or combinations thereof: alkaline earth oxide, alkali oxide, alumina, zirconia, niobium oxide, tantalum oxide, tellurium dioxide, tungsten oxide,
  • Molybdenum oxide antimony oxide, silver oxide, tin oxide, rare earth oxides.
  • the glass matrix is a tellurite glass.
  • the glass matrix has a proportion of at least 60% by volume in the first layer. In accordance with at least one embodiment, this is
  • Conversion element inorganic In other words, the conversion element has only inorganic constituents and is free from organic materials. For example, the conversion element has no silicone.
  • Glasses can be used as the glass matrix. Oxide glasses are preferred. Oxide glasses can be used as the glass matrix. Oxide glasses are preferred. Oxide glasses can be used as the glass matrix.
  • Aluminosilicate glasses phosphate glasses, tellurite glasses or
  • Germanatgläser be.
  • optical glasses or glasses which have a low transformation temperature so-called “low-Tg” glasses, can also be used.
  • lead oxide-containing glasses can be used, such as mixtures of lead oxide and boron oxide (PbO-B203) or lead oxide and silicon dioxide (PbO-SiO 2) or lead oxide, boron oxide and silicon dioxide (PbO-B 2 O 3 -SiO 2) or lead oxide, boron oxide, Zinc oxide (PbO-B203-ZnO) or lead oxide, boron oxide and alumina (PbO-B203-A1203).
  • PbO-B203 lead oxide and silicon dioxide
  • PbO-B 2 O 3 -SiO 2 boron oxide and silicon dioxide
  • Zinc oxide PbO-B203-ZnO
  • lead oxide and alumina PbO-B203-A1203
  • these glasses may, for example, alkaline earth oxides, alkali oxides, aluminum oxide, zirconium oxide, titanium dioxide, hafnium dioxide, niobium oxide,
  • the glass matrix is free of lead or lead oxide.
  • bismuth oxide-containing glasses can be used.
  • glasses containing bismuth oxide and boron oxide (Bi203-B203) or bismuth oxide, boron oxide, silicon dioxide (Bi203-B203-SiO2) or bismuth oxide, boron oxide, zinc oxide (Bi203-B203-ZnO) can be used. or bismuth oxide, boron oxide, zinc oxide and silicon oxide (Bi 2 O 3 -B 2 O 3 -ZnO-SiO 2).
  • the bismuth oxide-containing glasses may also contain other glass components, such as
  • Alkaline earth oxides alkali oxides, alumina, zirconia, titania, hafnia, niobium oxide, tantalum oxide, tellurium oxide, tungsten oxide, molybdenum oxide, antimony oxide, silver oxide, tin oxide and / or other rare rare earth oxides.
  • lead oxide-free glasses such as zinc oxide-containing glasses can be used.
  • glass matrix zinc oxide and boron oxide (ZnO-B 2 O 3) or zinc oxide, boron oxide and silicon dioxide (ZnO-B 2 O 3-SiO 2) or zinc oxide and phosphorus oxide (phosphorus pentoxide, ZnO-P 2 O 5) or zinc oxide, tin oxide and phosphorus pentoxide (ZnO-SnO-P 2 O 5) or Zinc oxide and tellurium dioxide (ZnO-Te02) are used.
  • the zinc oxide-containing glasses may contain further constituents, such as, for example, alkaline earth oxides, alkali oxides, aluminum oxide, zirconium oxide, titanium oxide, hafnium oxide, niobium oxide, tantalum oxide, tellurium dioxide, tungsten oxide, molybdenum oxide, antimony oxide,
  • Silver oxide, tin oxides and / or other rare earth oxides Silver oxide, tin oxides and / or other rare earth oxides
  • the glass matrix is a tellurite glass, a silicate glass, an aluminosilicate glass, a borate glass, a borosilicate glass or a phosphate glass.
  • the glass matrix has a softening temperature which is preferably in the range of 150-1000 ° C, more preferably 150-950 ° C, especially between 200-800 ° C, ideally in the range of 300-700 ° C or in the range of 350 - 650 ° C, lies.
  • the glass has a viscosity of 10 7 ' 6 dPa * s as in ISO 7884 defined.
  • the glass matrix has a
  • Preparation of the conversion element not more than 1400 ° C or 950 ° C, or ⁇ 1350 ° C, or ⁇ 1300 ° C, or ⁇ 1250 ° C, or ⁇ 1200 ° C, or ⁇ 1150 ° C, or ⁇ 1100 ° C, or ⁇ 1050 ° C, or ⁇ 1000 ° C, or ⁇ 950 ° C, or ⁇ 900 ° C, or ⁇ 850 ° C, or ⁇ 800 ° C, or ⁇ 700 ° C, or ⁇ 650 ° C, or ⁇ 600 ° C or ⁇ 550 ° C. This also depends on the
  • the glass matrix contains zinc oxide and belongs to the system zinc oxide, boron oxide and
  • Silica ZnO-B203-SiO 2
  • bismuth oxide bismuth oxide
  • boron oxide zinc oxide and silicon dioxide
  • ZnO-TeO 2 zinc oxide and tellurium dioxide
  • the refractive index of the zinc oxide-boria-silica is about 1.6.
  • the refractive index for bismuth oxide, boron oxide, zinc oxide and silica as the glass matrix is about 2.0, the glass matrix with tellurium dioxide with zinc oxide is also high refractive and is about 1.9.
  • the conversion element is very stable to moisture.
  • Automotive sector it is advantageous if these components have a high moisture stability
  • a stability at 1000 hours at 85 ° C with 85% relative humidity For example, a stability at 1000 hours at 85 ° C with 85% relative humidity.
  • Borate glasses containing silica are preferably 1 mol% and ⁇ 20 mol%, preferably 3 mol%, preferably 5 mol%.
  • the glasses contain zinc oxide in a proportion of at least 1 mol%, ie, the component is not over
  • the laser source has at least one laser beam with a dominant wavelength of 410-490 nm, preferably 430-470 nm, particularly preferably 440-460 nm.
  • more than one laser beam for example, six laser beams, form the laser source, which are performed together as a stack in parallel over the conversion element.
  • one or more lasers may be the same or different
  • the laser source is configured to emit radiation having a dominant wavelength from the UV, blue, green, yellow, orange, red and / or near IR spectral range.
  • the laser beam has a wavelength from the blue
  • the radiation of the laser source hits the laser directly during operation Conversion element on. In other words, there are no further differences between the laser source and the conversion element
  • a primary optics used to pre-collimate the laser light possibly in a Beam Combiner summarize and shape the beam path.
  • this primary optic can contain all conventional elements, e.g. Lenses and lens stacks / arrays, or even reflective optical elements.
  • refractive optical elements is also possible.
  • dichroic mirrors is also possible.
  • other elements or layers such as reflection elements, may be disposed between the radiation of the laser source and the conversion element. In other words, during operation, the radiation hits the
  • the reflection element can be, for example, a dichroic mirror.
  • the dichroic mirror may be formed of multiple layers and, for example, an alternating sequence of titania and silica layers
  • the dichroic mirror can be optimized for the glass matrix used.
  • An optical element may for example be a lens.
  • Reflective LARP is a system in which the laser, unlike the transmissive LARP, does not exit from the entrance side of the conversion medium but is reflected and exits at the original entrance side.
  • the radiation of the laser source is arranged dynamically or statically relative to the conversion element.
  • the radiation of the laser source hits the conversion element via a transmissive substrate during operation.
  • the invention further relates to a method for producing an optoelectronic component.
  • the method described here the method described here
  • the method for producing a conversion element comprises the steps:
  • step B2) takes place by means of doctoring, screen printing, stencil printing, dispensing or spray coating.
  • the conversion element described here can produce a smaller emitting spot and thus a better contrast between the areas to be illuminated and areas that are not to be illuminated. This can, for example, be reduced
  • Luminous surface must be defined on the conversion element via an additional aperture to avoid or reduce an unintentional halo or corona effect.
  • the efficiency can be increased, especially for devices with a high energy density and / or
  • Damage to the conversion element can be generated.
  • the Thermal Rollover can be done as follows:
  • Thermal rollover occurs when, despite increasing the laser power (excitation), the total radiation or the converted radiation does not increase further, but may even fall.
  • Substrate and the glass matrix and / or the conversion material no adhesive layer arranged.
  • the glass matrix with conversion material can be applied or applied directly to or onto the substrate, for example directly onto the coating of the substrate.
  • the adhesive usually having a low thermal conductivity and maximum thermal resistance.
  • Ceramic converters that must be glued to a substrate, as this process step is not required here.
  • several conversion elements in the composite are not required here.
  • Conversion element various conversion materials (e.g., garnets with different doping or
  • Conversion element can be used for example in projection applications, endoscopy or stage lighting.
  • the conversion element can be produced as a composite on a sapphire wafer. After the sapphire wafer is coated, it can be singulated, for example by sawing or laser cutting. Such a process can homogeneity or improve the yield and reduce the process costs.
  • Conversion material embedded in the glass matrix This allows the color location or the color rendering index (CRI) to be adjusted. For example, by combining green and orange or red conversion materials, warm white
  • the change in color location can change the visibility of a headlight or in a vehicle, such as rain, snow or fog.
  • Conversion material has a mean particle diameter between 1 and 25 ym, in particular between 2 and 15 ym, preferably between 3 and 9 ym.
  • the concentration of the dopant may be between 0.1% and 10%, for example 3%, as in (Yo.97 Ceo.03) 3Al5O12.
  • a dopant for example, lanthanides or the rare earths can be used. According to at least one embodiment, the
  • inhomogeneities in the conversion element is meant, such as pores or other holes designed to transmit blue light without conversion or scattering. This can be done, for example, by the particle size and shape of the conversion materials or by the addition of
  • Fillers or scattering particles or by filling the pores or holes with additional (preferably inorganic) Material be influenced. This is especially important when a collimated laser light passes through the
  • FIGS 1A to 2F each an optoelectronic
  • Figure 3 is an electron micrograph of a conversion element according to an embodiment of Figure 4A, the prepared conversion element of
  • Embodiment 2 in plan view according to a
  • Embodiment, and Figure 4B the Farborthomogentician of Embodiment 2 over the coated surface.
  • Figures 1A and 1B show the substrate 2 thinner than the layer thickness of the first layer 10, although preferably the layer thickness of the substrate 2 (approximately 500 ym) is greater than the layer thickness of the first
  • FIG. 1A shows a schematic cross-sectional representation of a conversion element 100 according to an embodiment.
  • the conversion element 100 has a substrate 2 on which a glass matrix 3 is arranged. In the glass matrix 3, the conversion material 4 is introduced, the
  • Wavelength conversion is set up.
  • Conversion material 4 and the glass matrix 3 form the first layer 10.
  • the conversion material 4 is homogeneously distributed in the glass matrix 3.
  • FIG. 1B shows the distribution of the conversion material 4 in the glass matrix 3 by means of a concentration gradient or grain size gradient. Larger particles of the
  • Conversion material 4 are arranged to the substrate 2, arranged smaller particles to the opposite side of the substrate 1.
  • the glass matrix 3 may be, for example
  • Be Telluritglas As the conversion material 4, a garnet such as YAG: Ce can be used.
  • FIGS. 2A to 2F each show a side view of an optoelectronic component 1000 with one each
  • Conversion element 100 according to an embodiment, which are each arranged as a LARP arrangement. The distance
  • Laser source conversion element may have a few cm.
  • FIG. 2A shows a laser source 1 which is capable of emitting a primary radiation (including first radiation, laser beam or radiation) Called laser radiation) 5 is set up.
  • the substrate 2 is sapphire and is transmissive shaped.
  • the substrate 2, the glass matrix 3 and the conversion material 4 is arranged downstream.
  • the conversion material 4 absorbs the
  • Primary radiation 5 at least partially and emits a secondary radiation 6.
  • the conversion element 100 may be formed for full conversion or partial conversion.
  • the conversion element 100 is adhesive-free here or in the other embodiments.
  • the conversion element 100 according to FIG. 2B shows a
  • Substrate 2 which is formed reflective.
  • the substrate 2 extends over the base side of the first layer 10 with glass matrix 3, in which the conversion material 4 is embedded, and on a side surface of the first layer 10.
  • the primary radiation 5 emitted by the laser source 1 thus strikes the glass matrix 3 directly, is through the
  • Conversion material 4 at least partially converted into radiation with a different wavelength and reflected on the substrate 2.
  • the laser source 1 can be arranged on a heat sink 8. Both the laser source 1 and the
  • Glass matrix 3 and the substrate 2 may further on a
  • Carrier 7 may be arranged.
  • the carrier 7 may be, for example, a printed circuit board.
  • the laser beam 5 can radiate perpendicular to and / or at a certain angle to the conversion element 100 here.
  • Laser source 1 to be mounted mechanically immobile.
  • Laser beam 5 of the laser source 1 may be capable of scanning the surface of the conversion element 100 or itself to move on this (dynamic). This does not exclude that upon movement of the laser beam 5, the laser source 1 is mechanically immovably mounted with respect to the conversion element 100.
  • Conversion element 100 may be arranged.
  • the laser beam 5 of the laser source 1 is thus at a fixed position of
  • FIG. 2C shows the arrangement of the laser source 1 at an angle to the substrate 2 and the glass matrix 3. The same applies to the conversion element 100 according to FIG. 2D.
  • the laser source 1 is integrated in a light guide.
  • the first layer 10 the first layer 10
  • Glass matrix 3, the conversion material 4 and the substrate 2 may be configured analogously to the previous embodiments.
  • the laser source 1 and the substrate 2 with the glass matrix 3 are not arranged on a common carrier 7.
  • the primary radiation 5 can strike the substrate 2 or the glass matrix 3 in a free-running manner, as shown in FIG. 2C or 2D, via an optical waveguide.
  • the substrate 2 is formed transmissively in the two cases.
  • the substrate 2 is formed in a reflective manner and arranged below the glass matrix 3. That the primary radiation 5 first strikes the glass matrix 3 and then the reflective substrate 2 (not shown).
  • FIG. 2E substantially corresponds to the embodiment of FIG. 2A.
  • the optical elements 9 such as a lens or collimator or mirror
  • the dichroic coating 21 is disposed directly on the first layer 10.
  • Antireflection coating 22 is arranged on the side facing away from the first layer 10 of the substrate 2.
  • Embodiment 1 ZnO-B 2 O 3 ⁇ SiO 2 as glass matrix 221
  • Screen printing medium consisting of a binder and a
  • Solvent prepared is applied to the substrate with one of the common coating methods.
  • the application can for example by means of doctoring with a
  • Layer thickness in the wet state between 30 and 200 ym, preferably 50 to 150 ym, in particular between 60 and 130 ym, take place.
  • the conversion element can be tempered at a temperature of for example 600 ° C. After annealing, the first layer 10 of the
  • Conversion element 100 containing a conversion material 4 in a proportion of 25 vol .-%.
  • FIG. 3 shows by way of example an electron micrograph (SEM) of a conversion element 100 according to an embodiment.
  • the layer thickness of the first layer 10 is about 85 ⁇ m after a tempering temperature of about 600 ° C for thirty minutes.
  • the conversion material 4 has a content of approximately 22% by volume in the first layer 10.
  • the measured quantum efficiency of the example of FIG. 3 is approx. 98% (absolute value).
  • the measured absorption was 1.8% in a wavelength range of 680 to 720 nm. Both values show that the conversion elements 100 described here have excellent properties in the optoelectronic components 1000 described here.
  • the quantum efficiency and the absorption were measured with a Hamamatsu-Quantaurus structure.
  • Exemplary embodiment 2 ZnO-B 2 O 3-SiO 2 as glass matrix
  • the gap height of the squeegee was 60 ym.
  • the thickness of the substrate was about 500 ym.
  • the conversion element was annealed at 600 ° C for one minute at a heating rate of 10 K / min. After the annealing step, the first layer 10 of the
  • Conversion element 100 a conversion material content of 28 vol .-% (calculated without pores) and a layer thickness of about 20 ym of the first layer 10.
  • Figure 4A shows the produced conversion element 100 of the Ausuungsbeispiels 2 in plan view. The width of the
  • Coating here marked with an arrow, is approx. 1 cm.
  • Figure 4B shows the color locus distribution of Embodiment 2 over the coated area (as - number of steps; S - step size).
  • the alumina is especially in the glass powder of
  • Embodiments 1 and 2 to a small extent
  • Embodiments 1 and 2 are not considered.
  • Embodiment 3 ZnO-E> 203-SiO 2 as glass matrix
  • the embodiment 3 was made as the embodiment 2 and annealed at a temperature of 600 ° C for thirty minutes.
  • the layer thickness of the annealed first layer is about 20 ym.
  • Embodiment 4 ZnO-B 2 O 3 ⁇ SiO 2 as a glass matrix
  • Embodiment 4 was made as embodiment 3, but with a gap height of 60 ym.
  • the thickness of the annealed first layer is about 13 ym.
  • Embodiments and their features can also be combined with each other according to further embodiments, even if such combinations are not explicitly shown in the figures.
  • the embodiments described in connection with the figures may have additional or alternative features as described in the general part.
  • the invention is not limited by the description based on the embodiments of these. Rather, the invention encompasses every new feature as well as every combination of features, which in particular includes any combination of features in the patent claims, even if this feature or combination itself is not explicitly described in the claims

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein optoelektronisches Bauelement (1000) aufweisend zumindest eine Laserquelle (1), die in Betrieb zumindest einen Laserstrahl (5) emittiert, ein freitragendes Konversionselement (100), das im Strahlengang des Laserstrahls (5) angeordnet ist, wobei das freitragende Konversionselement (100) ein Substrat (2) und nachfolgend eine erste Schicht (10) aufweist, wobei die erste Schicht (10) direkt mit dem Substrat (2) verbunden ist und zumindest ein Konversionsmaterial (4) aufweist, das in einer Glasmatrix (3) eingebettet ist, wobei die Glasmatrix (3) einen Anteil von 50 Vol% bis 80 Vol% in der ersten Schicht aufweist, wobei das Substrat (2) frei von der Glasmatrix (3) und dem Konversionsmaterial (4) ist und zur mechanischen Stabilisierung der ersten Schicht dient, und wobei die erste Schicht (10) eine Schichtdicke von kleiner als 200 pm aufweist. Beispielsweise kann mit dieser Anordnung eine reduzierte Streustrahlung ausgehend vom Konversionsmaterial und damit eine Verbesserung des Kontrasts von beleuchteten und unbeleuchteten Flächen des Konversionsmaterials erreicht werden.

Description

Beschreibung
OPTOELEKTRONISCHES BAUELEMENT UND VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG EINES OPTOELEKTRONISCHEN BAUELEMENTS
Die Erfindung betrifft ein optoelektronisches Bauelement. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Bauelements. In so genannten LARP-Anwendungen (Laser Activated Remote Phosphor) ist es erforderlich, eine hohe Leuchtdichte zu erzeugen. Darüber hinaus ist eine geringe Spotverbreiterung wichtig, d.h. inwiefern sich die Leuchtfläche (z.B. bezogen auf 1/e2 Wert des Maximums) der konvertierten Strahlung gegenüber der Leuchtfläche (= Anregungsfläche) des anregenden Laserstrahls vergrößert, der Kontrast zwischen Bereichen, die beleuchtet werden sollen und Bereichen, die nicht beleuchtet werden sollen (z.B. bei adaptiven Scheinwerfern),
Farbhomogenität über die Konverterfläche und über den
Abstrahlwinkel, die Effizienz und/oder die Stabilität (z.B. gegenüber Feuchte, Strahlung, Temperatur, chemischen
Einflüssen etc. um eine lange Lebensdauer des Bauteils zu gewährleisten) . Als LARP-Anwendungen werden hier und im
Folgenden diejenigen Anwendungen bezeichnet, die mit Hilfe einer Laserquelle, aufweisend zumindest einen Laserstrahl, ein Konversionselement als Lichtquelle nutzbar machen. Das schließt nicht aus, dass ein Teil des Laserlichts auch noch vorhanden ist und damit mit zur Lichtquelle zählen kann. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein
optoelektronisches Bauelement bereitzustellen, das für LARP- Anwendungen geeignet ist, insbesondere für LARP-Anwendungen stabil ist oder eine hohe Leuchtdichte aufweist. Ferner ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines optoelektronisches Bauelements bereitzustellen, das ein stabiles optoelektronisches Bauelement erzeugt. Diese Aufgaben werden durch ein optoelektronisches Bauelement gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen und/oder Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Ferner werden diese Aufgaben durch ein Verfahren zur Herstellung eines
optoelektronisches Bauelements gemäß dem Anspruch 17 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und/oder Weiterbildungen des Verfahrens sind Gegenstand des abhängigen Anspruchs 18.
In zumindest einer Ausführungsform weist das
optoelektronische Bauelement zumindest eine Laserquelle auf, die in Betrieb zumindest einen Laserstrahl emittiert. Das Bauelement weist ein freitragendes Konversionselement auf, das im Strahlengang des Laserstrahls angeordnet ist. Das freitragende Konversionselement weist ein Substrat und nachfolgend eine erste Schicht auf. Die erste Schicht ist direkt mit dem Substrat verbunden. Die erste Schicht weist zumindest ein Konversionsmaterial auf, das in einer
Glasmatrix eingebettet ist. Die Glasmatrix weist einen Anteil zwischen 50 Vol% bis 80 Vol% (berechnet ohne Poren) in der ersten Schicht auf. Das Substrat ist frei von der Glasmatrix und dem Konversionsmaterial und dient zur mechanischen
Stabilisierung der ersten Schicht. Die erste Schicht weist eine Schichtdicke von kleiner als 200 ym auf. Das Bauelement kann optional in Bezug auf die Laserquelle oder Lichtquelle mechanisch unbeweglich montiert sein.
Mechanisch unbeweglich montiert meint hier insbesondere, dass sich die relative räumliche Position des Konversionselements und der Laserquelle nicht ändern. Die Laserquelle, vorzugsweise inklusive primärer strahlführender Optik, kann zumindest einen Laserstrahl aufweisen, der seine
Strahlrichtung variieren kann. Die Variation der
Strahlrichtung kann über verschiedene Technologien realisiert werden. Dies beinhaltet z.B. MEMS (micro-electro-mechanical System) Elemente oder Piezoantriebe, aber auch Polygonspiegel oder rotierende Walzen, aber auch typische in CD und Blue Ray Playern eingesetzte Technologien wie „Voice Coil Actuators" können hier verwendet werden. Generell können alle
Technologien verwendet werden, die es erlauben, einen
Laserstrahl zusammen mit primären optischen Elementen über das Konversionselement zu scannen. Das Konversionselement kann in transmittiver oder reflektiver Konfiguration
eingesetzt werden. Das beschriebene Konversionselement kann in Kombination mit solchen Technologien in einem System besonders vorteilhaft in scannenden LARP Systemen,
insbesondere im AM Bereich (AM = Automotive) eingesetzt werden. Detaillierte Beschreibung dieser Systeme werden nachfolgend dargestellt. Die Ablenkung erfolgt vorzugsweise oder ausschließlich über die Bewegung entweder eines oder mehrerer optischer Elemente wie z.B. Spiegel und/oder Linsen.
Direkt meint hier, dass zwischen der ersten Schicht und dem Substrat keine weiteren Schichten oder Elemente angeordnet sind. Mit anderen Worten kann die erste Schicht kleberfrei auf dem Substrat befestigt werden. Es wird die erste Schicht also auf dem Substrat nicht mit einem zusätzlichen
Adhäsivmaterial befestigt. Das Substrat kann weitere
Schichten aufweisen, die beispielsweise die Beschichtung des Substrats bilden. Die Beschichtung kann dichroitisch
ausgeformt sein. Das Substrat kann zusätzlich oder alternativ eine Antireflexbeschichtung aufweisen. Die Erfinder haben erkannt, dass die Verwendung des hier beschriebenen Bauelements in einer LARP-Anordnung eine verbesserte Wärmeabfuhr, Strahlungs- und Temperaturstabilität aufweist, verglichen mit einem herkömmlichen
Konversionselement, aufweisend organische Matrixmaterialien, wie Silikone oder Epoxide.
Es können sehr dünne Schichten, die einen hohen Anteil an Konversionsmaterial in der Glasmatrix aufweisen, erzeugt werden. Das Konversionselement kann eine hohe Lichtstreuung aufweisen und ist vorzugsweise ausschließlich aus
anorganischen Materialien geformt. Vorzugsweise ist das
Konversionsmaterial und die Glasmatrix auf einem
transmissiven Substrat angeordnet.
Durch das Substrat kann bei der Herstellung des
Konversionselementes die Glasmatrix bei niedrigerer
Viskosität verarbeitet werden und deshalb dünner und höher mit dem Konversionsmaterial befüllt werden als ein bei einem ohne Substrat ausgeformten Konversionselement. Das Substrat und das Matrixmaterial weisen eine gute Feuchtestabilität auf. Vorzugsweise besitzt das Substrat im Falle eines Glases eine höhere Erweichungstemperatur und/oder eine höhere
Schmelztemperatur als die Glasmatrix und wirkt so formgebend. Bei einem ohne Substrat vorhandenen Konversionselement würde hier aufgrund der Oberflächenspannung die Form verlorengehen, wenn die Glasmatrix zu niedrig viskos wird.
Zudem ist die Streuung durch Poren und Brechzahlunterschiede eher variier- oder einstellbar als bei anderen anorganischen Matrixmaterialien. Die Glasmatrix weist eine gewisse
Restporosität auf, d.h. sie ist porenarm aber nie ganz porenfrei. Die Oberfläche der Glasmatrix kann weitestgehend geschlossen und relativ glatt sein.
Bisher bekannte Konversionselemente für LARP-Anwendungen zeigen den Nachteil der Spotverbreiterung und/oder eines geringen Kontrasts. Diese Parameter sind allerdings sehr wichtig, beispielsweise für die Automobilanwendung, wie die Anwendung der Konversionselemente in einem Scheinwerfer, insbesondere bei Applikationen, die auf ein ADB (Advanced Driving Beam) System abzielen, auch bekannt unter dem Namen
„Glare-Free HB". Diese Systeme können unter anderem mit einer der oben genannten Strahlrichtungsablenkungstechnologien realisiert werden. Einer oder mehrere Laserstrahlen werden hier über ein Konversionselement gescannt. Dies kann in einer oder in zwei Dimensionen realisiert werden. Die resultierende örtliche konvertierte Lichtverteilung wird mit einer
sekundären Optik ins Fernfeld abgebildet. Durch
Synchronisierung von Lasertreiber und
Strahlablenkungselementen kann eine gezielte Steuerung der Lichtverteilung erreicht werden, unter anderem auch das Abschalten und/oder Dimmen der Laser und damit auch der resultierenden Lichtverteilung in bestimmten Bereichen. Dies kann genutzt werden, um andere Verkehrsteilnehmer
(entgegenkommende und vorausfahrende Fahrzeuge, etc.) auszublenden. Sobald diese aus dem Gesichtsfeld der
Scheinwerfer verschwunden sind, kann die De-Glaring Zone wieder voll beleuchtet werden. Gerade um in vertikalen und horizontalen De-Glaring Zonen gute Performance zu erreichen, ist es essentiell die Themen Spotverbreiterung und Kontrast zu optimieren. Gesetzliche Regelungen hierzu kann der
bekannten Norm ECE-R 123 entnommen werden, beispielsweise die Anwendung der Konversionselemente in einem Scheinwerfer. Aber auch andere Lichtverteilungen, wie z.B. Abblendlicht oder Nebellicht, benötigen in vertikaler Richtung genügend Schärfe und Kontrast, um die gesetzlichen Forderungen der ECE-R 19 und der ECE-R 112 zu erfüllen. Alternativ kann die Anregung statisch erfolgen. In diesem Fall bleibt die
Anregungsfläche des Laserstrahls auf dem Konversionselement räumlich konstant. Die Mischung aus konvertiertem Licht und gegebenenfalls verbleibendem Anregungslicht kann auf weitere optische Elemente treffen, beispielsweise zur Strahlformung oder Fokussierung . Darüberhinaus kann die Mischung auf optische Bauteile wie MEMS oder Polygonspiegel treffen, um eine räumliche und/oder zeitliche Modulation der Strahlung auf der zu beleuchtenden Fläche zu realisieren,
beispielsweise für ein ADB System.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Bauelement zumindest ein wellenlängenkonvertierendes Konversionsmaterial auf. Das Konversionsmaterial absorbiert eine Strahlung mit einer ersten dominanten Wellenlänge (und ggf. einem
umgebenden spektralen Bereich) , insbesondere von der
Laserquelle, und konvertiert diese zumindest teilweise in Strahlung mit einer zweiten dominanten Wellenlänge (und ggf. einem umgebenden spektralen Bereich) , die vorzugsweise größer als die erste dominante Wellenlänge ist. Die dominante
Wellenlänge ist dem Fachmann bekannt und wird daher an dieser Stelle nicht näher erläutert. Als Konversionsmaterialien können vorzugsweise anorganische Materialien mit
wellenlängenkonvertierenden Eigenschaften verwendet werden. Beispielsweise eignet sich als Konversionsmaterial Granat, Orthosilikat und/oder Nitridosilikat .
Weitere Materialien für das Konversionsmaterial sind
beispielsweise : (Y, Gd, Tb, Lu) 3 (AI, Ga) 5O12 : Ce3+
(Sr, Ba, Ca, Mg) 2Si5N8 :Eu2+
(Ca, Sr) 8Mg (Si04) 4Cl2:Eu2+
( Sr, Ba, Ln) 2S1 (0, N) 4 : Eu2+ mit Ln : zumindest ein Element der Lanthanoide
(Sr,Ba) Si2N202 :Eu2+
(Ca, Sr, Ba) 2Si04 :Eu2+
(Sr,Ca) AlSiN3:Eu2+
(Sr, Ca) S :Eu2+
(Sr,Ba, Ca) 2 (Si, AI) 5 (N, 0) 8:Eu2+
(Sr,Ba,Ca)3Si05:Eu2+
-SiA10N:Eu2+
ß-SiA10N:Eu2+
Ca (5-δ) AI (4-2δ) Si ( 8+2δ) Ni80 : Eu2+
und andere Leuchtstoffe, lumineszierende Materialien, Quantenpunkte, organische Farbstoffe oder
lumineszierendes Glas.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das
Konversionselement genau ein Konversionsmaterial auf.
Alternativ können auch mehr als ein Konversionsmaterial, beispielsweise mindestens zwei Konversionsmaterialien, in dem Konversionselement vorhanden sein. Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind mindestens zwei verschiedene Konversionsmaterialien in der Glasmatrix eingebettet .
Das Konversionsmaterial kann dazu befähigt sein, die
Strahlung der Laserquelle, insbesondere eines Laserstrahls oder mehrere Laserstrahlen, vollständig zu absorbieren und mit veränderter längerer Wellenlänge zu emittieren. Mit anderen Worten findet hier eine so genannte Vollkonversion statt, dass also die Strahlung der Laserquelle gar nicht oder zu weniger als 5 % an der resultierenden Gesamtstrahlung beiträgt .
Alternativ ist das Konversionsmaterial dazu befähigt, die Strahlung der Laserquelle teilweise zu absorbieren, sodass die aus dem Konversionselement austretende Gesamtstrahlung sich aus der Laserstrahlung und der konvertierten Strahlung zusammensetzt. Dies kann auch als Teilkonversion bezeichnet werden. Die Gesamtstrahlung kann weißes Mischlicht sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das
Konversionselement eine erste Schicht auf. Die erste Schicht kann eine dem Substrat abgewandte Oberfläche aufweisen. Die erste Schicht kann strukturiert sein. Beispielsweise kann die erste Schicht poliert, geschliffen, geätzt und/oder
beschichtet werden. Dabei ist vorzugsweise die Oberfläche der ersten Schicht rau ausgeformt. Damit kann die
Lichtauskopplung aufgrund der Streuung verbessert und damit auch der Kontrast erhöht werden. Eine glatte Oberfläche kann beispielsweise für Folgebeschichtungen hilfreich sein. Eine glatte Oberfläche kann beispielsweise auch eine ausreichend gute Lichtauskopplung bieten, wenn der Brechzahlunterschied von Glasmatrix und Leuchtstoff größer oder gleich 0,1 oder größer oder gleich 0,15 oder größer oder gleich 0,2 oder größer oder gleich 0,25 oder größer oder gleich 0,3 oder größer oder gleich 0,35 oder größer oder gleich 0,4 oder größer oder gleich 0,5 oder größer oder gleich 0,55 oder größer oder gleich 0,6 ist, so dass Licht an den
Leuchtstoffen gestreut werden kann. Eine bessere
Lichtauskopplung durch eine Erhöhung des
Brechzahlunterschieds kann aber auch durch ein Zumischen von Streupartikeln in die Glasmatrix erzielt werden. Hier liegt dann der entsprechende Brechzahlunterschied zwischen
Glasmatrix und Streupartikeln vor. Idealerweise ist der
Brechzahlunterschied von Glasmatrix und Luft möglichst klein, also beispielsweise kleiner oder gleich 1,0 oder kleiner oder gleich 0,9 oder kleiner oder gleich 0,8 oder kleiner oder gleich 0,7 oder kleiner oder gleich 0,6 oder kleiner oder gleich 0,55 oder kleiner oder gleich 0,5. Eine bessere
Auskopplung gegen Luft kann aber beispielsweise auch durch eine auf der ersten Schicht aufgebrachte Antireflexschicht und/oder durch eine Streuschicht erzielt oder zumindest positiv unterstützt werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die erste Schicht eine Schichtdicke von kleiner als 200 ym auf. Die erste
Schicht weist insbesondere eine Schichtdicke von maximal 150 ym für Teilkonversion auf oder eine Schichtdicke von maximal 140 ym oder von maximal 130 ym oder von maximal 120 ym oder von maximal 110 ym, besser maximal 100 ym oder vorzugsweise maximal 90 ym oder maximal 80 ym oder maximal 70 ym oder maximal 60 ym oder maximal 50 ym oder maximal 45 ym oder maximal 40 ym oder maximal 35 ym oder maximal 30 ym oder maximal 25 ym oder maximal 20 ym auf. Alternativ weißt die erste Schicht eine Schichtdicke von maximal 200 ym für
Vollkonversion auf oder eine Schichtdicke von maximal 250 ym oder maximal 220 ym, besser maximal 200 ym, vorzugsweise maximal 180 ym oder maximal 170 ym oder maximal 160 ym oder maximal 150 ym oder maximal 100 ym oder maximal 90 ym oder maximal 80 ym oder maximal 70 ym oder maximal 60 ym oder maximal 50 ym, idealerweise von 70 ym bis 180 ym auf.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das
Konversionselement ein Substrat auf. Das Substrat kann transmissiv oder durchsichtig ausgeformt sein. Als durchsichtig wird hier und im Folgenden ein Substrat
bezeichnet, das eine interne Transmission von > 90 %, vorzugsweise > 95 %, besonders bevorzugt > 99 % aufweist. Interne Transmission meint hier die Transmission ohne
Reflektion an den Oberflächen (Fresnel-Reflektion) .
Alternativ kann das Substrat auch reflektierend ausgeformt sein, vorzugsweise mit einem Reflexionsgrad zwischen 0,95 und 1. Als Substrat können Materialien verwendet werden, die aus folgender Gruppe ausgewählt sind: Saphir, Keramik, Glas, glasartige Materialien, Glaskeramik, andere transparente oder transluzente Materialien. Alternativ kann das Substrat ein Material oder eine Kombination der folgenden Materialien aufweisen: Aluminiumoxid, polykristallines Aluminiumoxid, Keramik, Aluminium, Kupfer, Metalle, hochreflektierendes Aluminium mit/durch aufgebrachtem/s Schichtsystem, z.B. aus Silber. Die reflektierend ausgeformten Substrate sind für das so genannte reflektive LARP und die transparenten Substrate für das transmissive LARP geeignet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das
Konversionselement ein Substrat auf. Bei dem Substrat kann es sich um Glas, Glaskeramik, Saphir, Metall oder Keramik handeln. Vorzugsweise ist das Substrat Glas oder Saphir. Als Glas kann beispielsweise Borosilikatglas , wie beispielsweise D263, D263T oder D263TECO von der Firma Schott oder
beispielsweise ein Alumosilikatglas wie beispielsweise AS87 eco von der Firma Schott verwendet werden. Alternativ können auch glasartige Materialien, polykristallines Aluminiumoxid oder andere transparente oder transluzente Materialien verwendet werden. Vorzugsweise sollte das Substrat eine gute Stabilität gegenüber Feuchte, Strahlung und/oder hohen
Temperaturen aufweisen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Substrat eine hohe thermische Leitfähigkeit von > 0,2 W/ (m*K) , bevorzugt ^ 0,5 W/ (m*K) , besonders bevorzugt > 0,7 W/ (m*K) oder > 1,0 W/ (m*K) oder > 4,0 W/ (m*K) oder > 10 W/ (m*K) auf. Glas besitzt die geringste Wärmeleitfähigkeit. Zusätzlich kann das Substrat einen guten Widerstand gegenüber Feuchtigkeit,
Strahlung und/oder Temperaturen aufweisen, was insbesondere von Vorteil für Anwendungen im Automobilbereich ist.
Beispielsweise weist das Substrat keine merkliche Änderung der transmissiven und reflektierenden Eigenschaften nach z.B. einem Feuchtetest bei 85 °C und 85% rel. Feuchte bei >=1000 h auf. Keine merkliche Änderung bedeutet insbesondere keine messbare Änderung oder eine bis maximal 5%ige
Verschlechterung im primären und/oder sekundären
Wellenlängenbereich. Gleiches gilt für die Langzeit- Temperatur-Beständigkeit bei ^ 180 °C, besser > 200 °C für > 1 h, besser > 5h, idealerweise ^ 10h, als auch für die
Strahlungsbeständigkeit. Diamant hat eine Wärmeleitfähigkeit von cirka 2300 W/ (m*K) , Saphir von cirka 40 W/ (m*K) . Beide sind als transparente Materialien sehr gut geeignet. Glas weist eine Wärmeleitfähigkeit von cirka 0,75 W/ (m*K) je nach Material auf.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Dicke des
Substrats zwischen 50 ym bis 700 ym, bevorzugt zwischen 100 bis 500 ym.
Das Substrat kann strukturiert sein. Beispielsweise kann das Substrat ein strukturiertes Saphirsubstrat sein oder als eine oder mehrere Mikrolinsen ausgeformt sein, die auf der Oberfläche strukturiert sind. Das Substrat kann ein
photonisches Kristallgitter auf der Oberfläche aufweisen. Dies ist von Vorteil, insbesondere um die Lichteinkopplung und/oder -auskopplung zu erhöhen und damit die Effizienz zu steigern. Zum anderen kann damit eine verbesserte
Winkelemissionscharakteristik oder eine Strahlformung in eine oder verschiedene Richtungen erzeugt werden. Die Oberfläche des Substrats kann beispielsweise mittels Aufrauung,
Sandstrahlen, Schleifen, Polieren oder Ätzen modifiziert werden.
Das Substrat kann eine Beschichtung aufweisen. Die
Beschichtung kann beispielsweise eine Streuschicht aufweisen, um die Lichtauskopplung zu erhöhen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Substrat eine Auskoppelfolie auf. Dadurch kann die Ein- und Auskopplung von Strahlung erhöht werden und damit die Effizienz des
optoelektronischen Bauelements gesteigert werden. Zum anderen kann die Auskoppelfolie zur Formung oder Ablenkung des
Strahls der von der Laserquelle emittierten Strahlung dienen und den Strahl in eine bestimmte Richtung lenken. Zusätzlich oder alternativ kann das Substrat eine Dünnbeschichtung aufweisen, beispielsweise aus der Glasmatrix, die nach dem Polieren aufgebracht wird.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Substrat eine Beschichtung auf. Die Beschichtung kann beispielsweise eine Streuschicht aufweisen, um die Lichtauskopplung zu erhöhen. Die Beschichtung kann auch eine Verkapselung sein. Die
Verkapselung soll gegen Umwelteinflüsse, wie beispielsweise Feuchtigkeit, schützen. Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Substrat funktionelle Beschichtungen, wie beispielsweise dichroitische Beschichtungen, Interferenzbeschichtungen oder
Antireflexbeschichtungen, auf. Diese Beschichtungen können antireflektierende Eigenschaften oder Filtereigenschaften aufweisen. Zudem kann das Substrat einen dielektrischen
Rückreflektor auf der Oberfläche aufweisen, der der
Hauptstrahlungsaustrittsfläche gegenüberliegt und einen Teil der durch das Substrat gelangten Strahlung rückreflektiert, um damit eine homogenere Kantenemission und/oder höhere
Effizienz zu erreichen. Das Substrat kann dielektrische
Filter aufweisen, die zumindest einen Teil der Strahlung reflektieren und damit eine Vollkonversion erzielen können, insbesondere wenn die Anregung mittels Laserstrahl von der Seite der ersten Schicht aus erfolgt. Für die so genannten transmissiven LARP Anwendungen werden vorzugsweise
dichroitische Beschichtungen verwendet, die das von der
Laserquelle emittierte Licht größtenteils transmittieren und das von dem Konversionsmaterial emittierte Licht größtenteils reflektieren. Dabei ist es von Vorteil, wenn die
dichroitische Beschichtung oder der Schichtenstapel zwischen Substrat und Glasmatrix angeordnet ist und die Anregung mittels Laserstrahls von der Substratseite her erfolgt. Damit kann eine höhere Effizienz erreicht werden, da die
Transmission des anregenden Laserstrahls erhöht werden kann und das Richtung Substrat emittierte oder gestreute
konvertierte Licht zu einem großen Teil wieder in
Vorwärtsrichtung reflektiert wird. Im Falle einer reflektiven Anwendung wird die Primär- und Sekundärstrahlung idealerweise gut reflektiert. Im Falle einer reflektiven Anwendung ist eine dichroitische Beschichtung oder ein Schichtenstapel nicht zwingend erforderlich, sofern das Substrat schon reflektierend ausgeformt ist und idealerweise die Primär- und Sekundärstrahlung gut reflektiert. Alternativ kann zwischen dem Substrat und der ersten Schicht auch eine reflektive Schicht vorliegen, die allein oder in Kombination mit dem Substrat die Primär- und Sekundärstrahlung idealerweise gut reflektiert. Eine derartige reflektive Schicht kann
beispielsweise eine Silberschichtung sein oder eine
anorganische Reflexionsbeschichtung . Optional kann das
Substrat sowohl eine dichroitische Beschichtung oder einen Schichtenstapel als auch eine reflektive Schicht aufweisen. Diese Option ist auch bei einem bereits gut reflektierenden Substrat möglich, da dadurch beispielsweise die Effizienz erhöht werden kann.
Die hier beschriebenen Veränderungen des Substrats können einzeln oder auch in Kombination erfolgen, sodass sowohl die der Hauptstrahlungsaustrittsfläche zugewandte Substratseite als auch die gegenüberliegende Substratseite gleichzeitig oder einzeln verändert werden können. Die dichroitische Beschichtung kann auf der der ersten
Schicht zugewandten Substratseite aufgebracht sein. Im
Allgemeinen besteht eine dichroitische Beschichtung aus mehreren dünnen Schichten mit Brechungsindexdifferenzen, um Interferenzen für die weilenlängen- und richtungsabhängige Veränderung der Strahlung im System zu verwenden. Hier kann die dichroitische Beschichtung zwei Hauptfunktionen
aufweisen: Sie sorgt zum einen für eine hohe Transmission der eingehenden Strahlung und zum anderen für eine hohe
Reflektivität des umgewandelten Lichts, das aus dem
Konversionselements kommt. Beide Effekte erhöhen die
Effizienz oder Wirksamkeit. Diese Funktionsweise ist dem Fachmann bekannt und wird daher an dieser Stelle nicht näher erläutert . Die oben beschriebene dichroitische Beschichtung kann
alternativ oder zusätzlich auf einer beliebigen weiteren Außenseite des Substrats und/oder auf dessen Kantenseiten angeordnet sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Bauelement ein Substrat auf, auf dem die Glasmatrix angeordnet ist, wobei der Laserstrahl auf das Konversionsmaterial trifft und die Laserstrahlung zumindest teilweise in Strahlung mit veränderter längerer Wellenlänge konvertiert, und wobei die
Primär- und Sekundärstrahlung am Substrat oder in Kombination mit einer zwischen dem Substrat und der Glasmatrix
befindlichen reflektiven Schicht und/oder eines
dichroitischen Schichtenstapel reflektiert werden und wobei die reflektierte Strahlung wieder über das
Konversionsmaterial austritt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Substrat einen Filter auf, der selektiv Wellenlängen absorbieren kann. Beispielsweise kann das Substratmaterial ein Filterglas sein, beispielsweise ein Kurzpass-, Langpass- oder Bandpassfilter. Dies kann von Vorteil gerade bei Vollkonversion sein, wenn das Substrat das von der Laserquelle emittierte Licht
absorbiert, sodass das gesamte von der Laserquelle emittierte Licht konvertiert werden kann, insbesondere wenn die Anregung von der Seite der ersten Schicht aus erfolgt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform kann eine dichroitische Beschichtung, Antireflexbeschichtung, Verkapselung,
Auskoppelfolie und/oder andere Beschichtungen zusätzlich oder alternativ auf einer oder beiden Seiten der ersten Schicht und/oder auf den Kanten der ersten Schicht aufgebracht sein. Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird das
Konversionsmaterial und/oder die Glasmatrix auf dem Substrat mittels Rakeln, Siebdruck, Schablonendruck, Dispensen,
Sprühbeschichtung, Spin Coating, elektrophoretischer
Abscheidung oder durch eine Kombination dieser verschiedenen Methoden erzeugt.
Das Konversionselement ist freitragend ausgeformt. Mit freitragend wird hier und im Folgenden bezeichnet, dass das Konversionselement sich selbst trägt und keine weiteren
Elemente zur Stützung erforderlich sind. Das
Konversionselement kann im sogenannten Pick-and-Place-Prozess ohne weitere Stützung verarbeitet werden. Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das
Konversionselement Streupartikel oder Füllstoffe auf. Die Streupartikel oder Füllstoffe können beispielsweise
Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid, Bariumsulfat, Bornitrid, Magnesiumoxid, Titandioxid, Siliziumdioxid, Siliziumnitrid, YAG, Orthosilikat , Zinkoxid oder Zirkoniumdioxid sowie A10N, SiAlON oder Kombinationen oder Derivate davon oder andere keramische als auch glasige Partikel, Metalloxide oder andere anorganische Partikel sein. Die Streupartikel oder die
Füllstoffe können eine unterschiedliche Form aufweisen, beispielsweise kugelförmig, stäbchenförmig oder
scheibenförmig, wobei die Partikelgröße zwischen einigen Nanometer bis zu einigen zehn Mikrometer sein kann. Kleinere Partikel können genutzt werden, um die Viskosität der
Suspension einzustellen. Größere Partikel können zur
Herstellung eines kompakten Konversionselements und/oder zur verbesserten Wärmeabführung, Feuchteresistenz, oder
Dickenhomogenität beitragen. Die Streuung kann verändert und/oder die mechanische Stabilität kann verbessert werden. Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird das
Konversionselement aus mehreren Schichten hergestellt, die in Schichtdicke, Kompaktheit, Glasmatrix, Konversionsmaterial, Streuern und/oder Füllstoffen variieren können.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das
Konversionselement eine Glasmatrix auf. In der Glasmatrix ist das Konversionsmaterial eingebracht, vorzugsweise
eindispergiert . Das Konversionsmaterial kann in der
Glasmatrix homogen verteilt sein. Alternativ kann das
Konversionsmaterial in der Glasmatrix einen
Konzentrationsgradienten, beispielsweise in Richtung weg von der Laserquelle eine Erhöhung der Konzentration des
Konversionsmaterials in der Glasmatrix, aufweisen.
Beispielsweise können größere Partikel näher zum Substrat hin angeordnet sein und kleinere Partikel an der Oberfläche des Konversionselements, also von der dem Substrat abgewandten Seite, angeordnet sein. Damit kann die Rückstreuung reduziert werden. Insbesondere kann die Rückstreuung des blauen Lichts, also des von dem Laserstrahl emittierten Lichts, reduziert werden .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das
Konversionsmaterial und/oder die Glasmatrix jeweils
anorganisch. Das Konversionsmaterial weist vorzugsweise keine organischen Farbstoffe als Konversionsmaterial auf.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Glasmatrix frei von organischen Materialien. Vorzugsweise ist die Glasmatrix frei von Silikon und/oder Epoxid. Das ist von Vorteil, da Silikone und Epoxide unter Einwirkung von blauem Licht degenerieren können. Dies tun sie besonders unter dem
Einfluss hoher Temperaturen und hoher Strahlungsdichte von blauem bzw. kurzwelligerem Licht, wie sie häufig bei LARP Anwendungen vorherrschen. Daher kann die Matrix, wenn sie Silikon und/oder Epoxid enthält, irreversibel degenerieren. Bei scannendem LARP ist dies insbesondere bei einem Ausfall des lichtablenkenden Elementes kritisch, wodurch sich die durchschnittliche blaue Leistungsdichte in dem Teil des
Konversionselements, in dem der Spot zu stehen kommt, um ein Vielfaches erhöht. Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das
Konversionselement Oberflächen auf, die geglättet oder planarisiert sind. Dies kann beispielsweise durch Schleifen oder Polieren erfolgen. Dies kann vorteilhaft sein, um
Beschichtungen aufzubringen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das
Konversionsmaterial als Partikel ausgeformt. Der mittlere Durchmesser (d50 Wert) kann zwischen 0,5 ym und 50 ym liegen, bevorzugt zwischen 2 ym und 40 ym, insbesondere zwischen 3 ym und 25 ym sein. Zudem können verschiedene
Konversionsmaterialien vorhanden sein, die unterschiedliche Emissionsspektren aufweisen. Der Polier- und/oder
Strukturierschritt kann die Partikel des Konversionsmaterials anschleifen und damit schädigen. Daher können nach dieser Strukturierung und/oder dem Polieren eine Schutzschicht oder eine Verkapselung aufgebracht werden, um die Stabilität der Konversionsmaterialien zu erhöhen.
Das Konversionselement kann eine gewisse Porosität aufweisen. In die Poren kann ein Material, beispielsweise ein Polymer wie Silikon oder Polysilazan oder Polsiloxan oder Ormocer oder Parylen, oder generell ein Material, das eine geringe Lichtabsorption im Wellenlängenbereich der Anregungswellenlänge oder des konvertierten Lichts aufweist, eingebracht werden.
Es kann zusätzlich eine Beschichtung auf dem
Konversionselement aufgebracht werden, um die Poren des
Konversionselements zu schließen. Die Beschichtung kann das gleiche Material, wie die Glasmatrix der ersten Schicht, aufweisen. Die Beschichtung kann zudem einen Füllstoff aufweisen. Zusätzlich oder alternativ können die Kanten des Konversionselements beschichtet werden, beispielsweise mittels Molding oder Casting. Dazu kann beispielsweise
Silikon mit Titandioxidpartikel an den Kanten des
Konversionselements angebracht werden. Zwischen dem Substrat und der ersten Schicht können weitere Schichten angeordnet sein, beispielsweise Schutzschichten, die das Substrat vor einem harten Konversionsmaterial schützen können. Eine Schutzschicht kann beispielsweise aus Aluminiumoxid oder Siliziumdioxid sein.
Die laterale Ausdehnung des Konversionselements kann
beispielsweise 10 mm x 25 mm oder ein Durchmesser von 2 mm sein. Im Prinzip sind aber auch andere Dimensionen möglich. Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die erste Schicht eine Glasmatrix auf. Die Glasmatrix weist vorzugsweise einen Anteil von 80 bis 50 Vol.-% in der ersten Schicht auf (ohne evtl. vorhandener Poren) . Die Glasmatrix weist eine gute Feuchtestabilität auf.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Anteil der Glasmatrix in der ersten Schicht größer als 0 Vol.-% und kleiner als 100 Vol.-%, vorzugsweise zwischen 50 Vol.-% und 80 Vol.-% (Grenzen mit eingeschlossen), oder 40 oder 45
Vol . - 50 oder 51 Vol . - 52 oder 53 Vol.- 54 oder 55
Vol . - 56 oder 57 Vol . - 58 oder 59 Vol.- 60 oder 61
Vol . - 62 oder 63 Vol . - 64 oder 65 Vol.- 66 oder 67
Vol . - 68 oder 70 Vol . - 71 oder 72 Vol.- 73 oder 74
Vol . - 75 oder 76 Vol . - 77 oder 78 Vol.- 79 oder 80
Vol . - 81 oder 82 Vol . - 83 oder 84 Vol.- 85 oder 86
Vol . - 90 oder 95 Vol . - . Der Anteil des
Konversionsmaterials in der ersten Schicht kann zwischen 0
Vol.-% und 100 Vol.-%, vorzugsweise zwischen 20 und 50 Vol.- %, beispielsweise 20, 22, 25, 28, 30, 32, 35, 38, 40, 45, 48 oder 50 Vol.-% sein. Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die erste Schicht eine Schichtdicke von < 200 ym auf. Vorzugsweise ist die Schichtdicke -S 150 ym oder < 100 ym. Neben dem
Konversionsgrad, ist für die obere Schichtdickengrenze auch zu beachten, dass das Konversionselement noch eine
ausreichende Wärmeabfuhr besitzt, die mit zunehmender
Schichtdicke tendenziell abnimmt. Die untere
Schichtdickengrenze orientiert sich eher an dem gewünschten Konversionsgrad für den eine gewisse Menge
Konversionsmaterial nötig ist, da über das Substrat bereits eine ausreichende mechanische Stabiltät des
Konversionselements während dem Handling gegeben sein sollte.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Substrat eine höhere Erweichungstemperatur als die Erweichungstemperatur der Glasmatrix auf. Dadurch kann die als Paste oder
Dispersion aufgebrachte erste Schicht eingebrannt und/oder versintert und/oder verglast werden, ohne dass das Substrat sich thermisch verformt. Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Bauelement einen dichroitischen Schichtenstapel auf, der zwischen
Substrat und Glasmatrix angeordnet ist,
wobei der Laserstrahl die Glasmatrix und den dichroitischen Schichtenstapel transmittiert und das in der Glasmatrix eingebettete Konversionsmaterial die transmittierte Strahlung zumindest teilweise in Strahlung mit veränderter längerer Wellenlänge konvertiert, wobei die konvertierte Strahlung von dem dichroitischen Schichtenstapel zumindest teilweise, insbesondere zu mehr 80%, reflektiert wird.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das Substrat zwischen der Laserquelle und der ersten Schicht angeordnet. Bei reflektiven Anwendungen ist vorzugsweise die erste
Schicht zwischen der Laserquelle und dem Substrat angeordnet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das Substrat zwischen der Laserquelle und der ersten Schicht, insbesondere für transmissive Anordnungen, angeordnet. Alternativ ist die erste Schicht zwischen der Laserquelle und dem Substrat, insbeondere für reflektive Anordnungen, angeordnet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die erste Schicht eine dem Substrat abgewandte Oberfläche auf, die strukturiert oder oberflächenbehandelt ist. Damit wird hier insbesondere verstanden, dass die Oberfläche geglättet ist. Das Glätten kann beispielsweise durch Polieren, Schleifen, Ätzen oder allgemeine Strukturierung oder Beschichtung erfolgen. Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Glasmatrix oxidisch und weist zumindest eines der folgenden Materialien oder Kombinationen auf oder besteht aus diesen Materialien: Bleioxid, Bismutoxid, Boroxid, Siliziumdioxid, Tellurdioxid, Zinkoxid, Phosphorpentoxid, Aluminiumoxid. Die hier
beschriebenen Materialien können einzeln oder in Kombination in der Glasmatrix vorhanden sein. Vorzugsweise weist die Glasmatrix Zinkoxid auf. Vorzugsweise ist die Glasmatrix frei von Bleioxid.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die Glasmatrix Zinkoxid (ZnO) , Boroxid (B2O3) und Siliziumdioxid (S1O2) oder besteht daraus.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die Glasmatrix Zinkoxid auf, zumindest einen Glasbildner und einen
Netzwerkwandler oder ein Zwischenoxid. Der Glasbildner kann beispielsweise Borsäure, Siliziumdioxid, Phosphorpentoxid, Germaniumdioxid, Bismutoxid, Bleioxid und/oder Telluridoxid sein. Der Netzwerkwandler oder das Zwischenoxid kann aus der folgenden Gruppe oder Kombinationen daraus ausgewählt sein: Erdalkalioxid, Alkalioxid, Aluminiumoxid, Zirkoniumoxid, Nioboxid, Tantaloxid, Tellurdioxid, Wolframoxid,
Molybdänoxid, Antimonoxid, Silberoxid, Zinnoxid, Oxide der Seltenen Erde.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Glasmatrix ein Telluritglas .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die Glasmatrix einen Anteil von mindestens 60 Vol.-% in der ersten Schicht auf . Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das
Konversionselement anorganisch. Mit anderen Worten weist das Konversionselement nur anorganische Bestandteile auf und ist frei von organischen Materialien. Beispielsweise weist das Konversionselement kein Silikon auf.
Als Glasmatrix können Gläser verwendet werden. Oxidische Gläser sind bevorzugt. Oxidische Gläser können
beispielsweise, aber nicht beschränkt auf diese,
Silikatgläser, Boratgläser, Borosilikatgläser,
Alumosilikatgläser, Phosphatgläser, Telluritgläser oder
Germanatgläser sein. Zudem können auch optische Gläser oder Gläser, die eine niedrige Transformationstemperatur haben, sog. „low Tg" Gläser, verwendet werden.
Als Gläser können beispielsweise Bleioxid-enthaltende Gläser verwendet werden, wie beispielsweise Mischungen aus Bleioxid und Boroxid (PbO-B203) oder Bleioxid und Siliziumdioxid (PbO- Si02) oder Bleioxid, Boroxid und Siliziumdioxid (PbO-B203- Si02) oder Bleioxid, Boroxid, Zinkoxid ( PbO-B203-ZnO) oder Bleioxid, Boroxid und Aluminiumoxid ( PbO-B203-A1203 ) . Die hier beschriebenen bleioxidhaltigen Gläser können zudem
Bismutoxid oder Zinkoxid enthalten. Zudem können diese Gläser beispielsweise Erdalkalioxide, Alkalioxide, Aluminiumoxid, Zirkoniumoxid, Titandioxid, Hafniumdioxid, Nioboxid,
Tantaloxid, Tellurdioxid, Wolframoxid, Molybdänoxid,
Antimonoxid, Silberoxid, Zinnoxid und/oder andere
Seltenerdoxide enthalten.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Glasmatrix frei von Blei oder Bleioxid. Es können beispielsweise Bismutoxid- enthaltende Gläser verwendet werden. Beispielsweise können Gläser verwendet werden, die Bismutoxid und Boroxid (Bi203- B203) oder Bismutoxid, Boroxid, Siliziumdioxid (Bi203-B203- Si02) oder Bismutoxid, Boroxid, Zinkoxid (Bi203-B203-ZnO) oder Bismutoxid, Boroxid, Zinkoxid und Siliziumoxid (Bi203- B203-ZnO-Si02 ) enthalten. Die Bismutoxid-enthaltenden Gläser können zudem andere Glaskomponenten, wie beispielsweise
Erdalkalioxide, Alkalioxide, Aluminiumoxid, Zirkoniumoxid, Titandioxid, Hafniumoxid, Nioboxid, Tantaloxid, Telluroxid, Wolframoxid, Molybdänoxid, Antimonoxid, Silberoxid, Zinnoxid und/oder andere seltenen Seltenerdoxide enthalten.
Alternativ können auch bleioxidfreie Gläser wie Zinkoxid- enthaltende Gläser verwendet werden. Beispielsweise kann als Glasmatrix Zinkoxid und Boroxid (ZnO-B203) oder Zinkoxid, Boroxid und Siliziumdioxid ( ZnO-B203-Si02 ) oder Zinkoxid und Phosphoroxid ( Phosporpentoxid, ZnO-P205) oder Zinkoxid, Zinnoxid und Phosphorpentoxid ( ZnO-SnO-P205 ) oder Zinkoxid und Tellurdioxid (ZnO-Te02) verwendet werden.
Die zinkoxidhaltigen Gläser können weitere Bestandteile, wie beispielsweise Erdalkalioxide, Alkalioxide, Aluminiumoxid, Zirkoniumoxid, Titanoxid, Hafniumoxid, Nioboxid, Tantaloxid, Tellurdioxid, Wolframoxid, Molybdänoxid, Antimonoxid,
Silberoxid, Zinnoxide und/oder andere Seltenerdoxide
enthalten .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Glasmatrix ein Telluritglas , ein Silikatglas, ein Alumosilikatglas , ein Boratglas, ein Borosilikatglas oder ein Phosphatglas ist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform hat die Glasmatrix eine Erweichungstemperatur, die vorzugsweise im Bereich von 150 - 1000 °C, besser 150 - 950 °C, insbesondere zwischen 200 - 800 °C, idealerweise im Bereich von 300 - 700 °C oder im Bereich von 350 - 650 °C, liegt. Bei der Erweichungstemperatur besitzt das Glas eine Viskosität von 107'6 dPa*s wie in der ISO 7884 definiert. Zudem besitzt die Glasmatrix eine
Viskosität von 105 dPa*s im Bereich von 150 °C und 900 °C oder 1400 °C, insbesondere im Bereich von 250 - 1200 °C, beispielsweise im Bereich von 250-650°C oder im Bereich von 600-1200°C.
Insbesondere ist die obere Temperaturgrenze bei der
Herstellung des Konversionselementes nicht mehr als 1400 °C oder 950°C, oder < 1350 °C, oder < 1300 °C, oder < 1250 °C, oder < 1200 °C, oder < 1150 °C, oder < 1100 °C, oder < 1050 °C, oder < 1000 °C, oder < 950 °C, oder < 900 °C, oder < 850 °C, oder < 800 °C, oder < 700 °C, oder < 650 °C, oder < 600 °C oder < 550 °C. Dies hängt auch von der
Erweichungstemperatur des Substrates ab, die dabei nicht überschritten werden sollte.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform enthält die Glasmatrix Zinkoxid und gehört zu dem System Zinkoxid, Boroxid und
Siliziumdioxid ( ZnO-B203-Si02 ) , Bismutoxid, Boroxid, Zinkoxid und Siliziumdioxid (Bi203-B203-ZnO-Si02 ) und/oder Zinkoxid und Tellurdioxid (ZnO-Te02). Der Brechungsindex des Zinkoxid- Boroxid-Siliziumdioxid ist ungefähr 1,6. Der Brechungsindex für Bismutoxid, Boroxid, Zinkoxid und Siliziumdioxid als Glasmatrix ist ungefähr 2,0, die Glasmatrix mit Tellurdioxid mit Zinkoxid ist ebenfalls hochbrechend und liegt bei ca. 1,9. Vorzugsweise ist das Konversionselement sehr stabil gegenüber Feuchtigkeit.
Um derartige optoelektronische Bauelemente für den
Automobilbereich zu verwenden, ist es von Vorteil, wenn diese Bauelemente eine hohe Feuchtestabilität aufweisen,
beispielsweise eine Stabilität bei 1000 Stunden bei 85 °C mit 85 % relativer Luftfeuchtigkeit. Vorzugsweise werden als Glasmatrix Telluritgläser oder Silikatgläser oder
Boratgläser, die Siliziumdioxid enthalten, verwendet. Der Siliziumanteil der Boratgläser ist vorzugsweise ^ 1 mol% und < 20 mol%, vorzugsweise ^ 3 mol%, vorzugsweise ^ 5 mol%. Es können auch Silikatgläser mit einem Siliziumdioxidanteil von > 20 mol%, oder > 25 mol%, oder > 30 mol%, oder > 35 mol%, oder > 40 mol%, oder > 45 mol%, oder > 50 mol%, oder > 55 mol%, oder > 60 mol%, oder > 65 mol%, oder > 70 mol%, oder > 75 mol%, oder > 80 mol% verwendet werden. Vorzugsweise enthalten die Gläser Zinkoxid mit einem Anteil von mindestens 1 mol%, d.h. die Komponente ist nicht über
RohstoffVerunreinigungen, sondern gezielt eingebracht worden, und maximal 50 mol%. Ebenso können Alumosilikatgläser, beispielsweise ein Erdalkali-Alumosilikatglas, eingesetzt werden . Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die Laserquelle zumindest einen Laserstrahl mit einer dominanten Wellenlänge von 410 - 490 nm, vorzugsweise 430 - 470 nm, besonders bevorzugt 440 - 460 nm auf. Alternativ können auch mehr als ein Laserstrahl, beispielsweise sechs Laserstrahlen, die Laserquelle bilden, die gemeinsam als Stapel parallel über das Konversionselement geführt werden. Als Laserquelle können ein oder mehrere Laser mit gleichen oder verschiedenen
Wellenlängen verwendet werden. Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Laserquelle dazu eingerichtet, Strahlung mit einer dominanten Wellenlänge aus dem UV, blauen, grünen, gelben, orangen, roten und/oder nahen IR-Spektralbereich zu emittieren. Insbesondere weist der Laserstrahl eine Wellenlänge aus dem blauen
Spektralbereich auf.
Gemäß zumindest einer einfachen Ausführungsform trifft im Betrieb die Strahlung der Laserquelle direkt auf das Konversionselement auf. Mit anderen Worten sind zwischen der Laserquelle und dem Konversionselement keine weiteren
Schichten, Elemente, Linsen oder optische Elemente
angeordnet. Üblicherweise wird aber, besonders bei der
Verwendung von mehreren Laserdioden, eine primäre Optik eingesetzt, um das Laserlicht vorzukollimieren, eventuell in einem Beam Combiner zusammenzufassen und den Strahlgang zu formen. Diese primäre Optik kann je nach Applikation und Bauraumverhältnissen alle üblichen Elemente enthalten, z.B. Linsen und Linsenstapel/-arrays, oder auch reflektive optische Elemente. Auch die Verwendung von refraktiven optischen Elementen ist möglich. Auch die Verwendung von dichroitischen Spiegeln ist möglich.
Alternativ können zwischen der Strahlung der Laserquelle und dem Konversionselement andere Elemente oder Schichten, wie beispielsweise Reflexionselemente, angeordnet sein. Mit anderen Worten trifft im Betrieb die Strahlung der
Laserquelle indirekt über ein Reflexionselement oder ein anderes optisches Element auf das Konversionselement. Das Reflexionselement kann beispielsweise ein dichroitischer Spiegel sein. Der dichroitische Spiegel kann aus mehreren Schichten geformt sein und beispielsweise eine alternierende Abfolge von Titandioxid- und Siliziumdioxidschichten
aufweisen. Der dichroitische Spiegel kann auf die verwendete Glasmatrix hin optimiert sein. Ein optisches Element kann beispielsweise eine Linse sein.
Als reflektives LARP wird ein System bezeichnet, bei dem der Laser, anders als beim transmissiven LARP, nicht gegenüber der Eintrittsseite des Konversionsmediums austritt, sondern reflektiert wird und an der ursprünglichen Eintrittsseite auch wieder austritt. Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Strahlung der Laserquelle dynamisch oder statisch zum Konversionselement angeordnet . Gemäß zumindest einer Ausführungsform trifft im Betrieb die Strahlung der Laserquelle über ein transmissives Substrat auf das Konversionselement.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Bauelements. Vorzugsweise wird mit dem hier beschriebenen Verfahren das hier beschriebene
Bauelement hergestellt. Dabei gelten alle Definitionen und Ausführungen des Bauelements auch für das Verfahren zur
Herstellung eines Konversionselements und umgekehrt.
In zumindest einer Ausführungsform weist das Verfahren zur Herstellung eines Konversionselements die Schritte auf:
A) Bereitstellen eines freitragenden Konversionselements zumindest in den Strahlengang eines Laserstrahls, das vor dem Bereitstellen wie folgt hergestellt wird:
Bl) Mischung von zumindest einem Konversionsmaterial und einem Glaspulver und gegebenenfalls weiteren Stoffen wie Lösemittel und Binder zur Erzeugung einer Paste,
B2) Aufbringen der Paste direkt auf ein Substrat zur
Erzeugung einer ersten Schicht, B3) Trocknen der ersten Schicht bei mindestens 75 °C,
B4) Erhitzen des Substrats und der ersten Schicht auf eine Temperatur, die insbesondere mindestens so hoch ist wie die Temperatur, bei der das Glasmatrixmaterial der ersten Schicht eine Viskosität von 105 dPa*s (Fließpunkt) besitzt, wobei die Temperatur größer als 350°C ist, und gegebenenfalls B5) Glätten oder Aufrauen einer dem Substrat abgewandten Oberfläche der ersten Schicht.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform erfolgt Schritt B2) mittels Rakeln, Siebdruck, Schablonendruck, Dispensen oder Sprühbeschichtung .
Durch das hier beschriebene Konversionselement kann ein kleinerer emittierender Leuchtfleck und damit ein besserer Kontrast zwischen den Flächen, die beleuchtet werden sollen, und Flächen, die nicht beleuchtet werden sollen, erzeugt werden. Dies kann beispielsweise durch eine reduzierte
Streustrahlung oder eine reduzierte Halo- oder Korona- Umgebung um die beleuchtete Fläche im Vergleich
beispielsweise zu keramischen Konvertern beobachtet werden.
Diese Vorteile können insbesondere in so genannten scannenden LARP-Systemen für den Automobilbereich angewendet werden. Zudem können die hier beschriebenen Konversionselemente eine höhere Leuchtdichte aufweisen verglichen mit
Keramikkonvertern. Bei anderen Konversionselementen ist häufig die Spotverbreiterung derart schlecht dass die
Leuchtfläche auf dem Konversionselement über eine zusätzliche Blende definiert werden muss um einen unbeabsichtigten Halo- bzw. Korona-Effekt zu vermeiden oder zu reduzieren. Bei der hier vorliegenden Erfindung kann es möglich sein, aufgrund der geringen Spotverbreiterung auf eine derartige Blende zu verzichten, wodurch die Kosten gesenkt werden. Zudem kann die Effizienz erhöht werden, insbesondere bei Bauelementen mit einer hohen Energiedichte und/oder
Temperaturen durch die bessere Wärmeableitung. Dies reduziert die Temperatur in den Konversionsmaterialien und damit das thermische Quenchen der Konversionsmaterialien verglichen mit organischen Matrixmaterialien, die in der Regel eine deutlich schlechtere Wärmeleitfähigkeit von < 0.5 W (m*K) besitzen. Die maximale Betriebsleistung und/oder Temperatur kann gesteigert werden, bevor der so genannte „Thermal Rollover" des
Konversionsmaterials erzeugt wird oder irreversible
Beschädigungen des Konversionselements erzeugt werden.
Das Thermal Rollover kann wie folgt Zustandekommen:
1. Beim Betrieb wird im Konversionselement Hitze erzeugt (wegen Stokes-Hitze bei Konversion von z.B. blau nach gelb; durch Verluste wegen Quanteneffizienz <100% oder wegen
Absorption) ,
2. Bei höherer Temperatur besitzen die meisten
Konversionsmaterialien thermisches Quenchen, d.h. die
Quanteneffizienz sinkt mit steigender Temperatur,
3. Durch das thermische Quenchen wird mehr Hitze erzeugt, was zu noch mehr thermischem Quenchen führen kann,
4. Thermal Rollover tritt dann auf, wenn trotz Erhöhung der Laserleistung (Anregung) die Gesamtabstrahlung bzw. die konvertierte Strahlung nicht weiter steigt sondern womöglich sogar fällt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist zwischen dem
Substrat und der Glasmatrix und/oder dem Konversionsmaterial keine Kleberschicht angeordnet. Mit anderen Worten kann die Glasmatrix mit Konversionsmaterial direkt an oder auf das Substrat, beispielsweise direkt auf die Beschichtung des Substrats, aufgebracht oder angebracht werden. Im Vergleich dazu müssen keramische Konverter geklebt werden, wobei der Kleber gewöhnlich eine geringe thermische Leitfähigkeit und maximale thermische Belastbarkeit aufweist.
Die Herstellung des hier beschriebenen Konversionselements und/oder Bauelements ist günstiger verglichen mit
Keramikkonvertern, die auf einem Substrat aufgeklebt werden müssen, da dieser Prozessschritt hier nicht erforderlich ist. Zudem können mehrere Konversionselemente im Verbund
prozessiert werden, beispielsweise auf Waferlevel durch
Sprühbeschichtung oder Rakeln, die dann erst im Anschluss vereinzelt werden. Dies vereinfacht den Prozess und ist kostengünstiger als einzelne keramische Konverter
aufzukleben. Zudem können bei dem hier beschriebenen
Konversionselement verschiedene Konversionsmaterialien (z.B. Granate mit unterschiedlicher Dotierung oder
unterschiedlichem Al/Ga bzw. Lu/Y Gehalt) oder eine Mischung von Konversionsmaterialien verwendet werden. Damit besitzen die hier beschriebenen Konversionselemente eine größere
Flexibilität als keramische Konverter bezüglich der
Einstellung des Farbortes oder des Farbwiedergabeindexes (CRI) der Gesamtstrahlung.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird das
Konversionselement im Automobilbereich, beispielsweise in Scheinwerfern, verwendet. Alternativ kann das
Konversionselement beispielsweise bei Projektionsanwendungen, Endoskopie oder Bühnenbeleuchtung verwendet werden.
Das Konversionselement kann als Verbund auf einem Saphirwafer erzeugt werden. Nachdem der Saphirwafer beschichtet ist, kann dieser vereinzelt werden, beispielsweise durch Sägen oder Laserschneiden. Ein derartiger Prozess kann die Homogenität oder die Ausbeute verbessern und die Prozesskosten reduzieren .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist mehr als ein
Konversionsmaterial in der Glasmatrix eingebettet. Damit kann der Farbort oder der Farbwiedergabeindex (CRI) angepasst werden. Beispielsweise kann durch Kombination von grünen und orangen oder roten Konversionsmaterialien warmweißes
Mischlicht erzeugt werden. Die Veränderung des Farbortes kann die Sichtbarkeit eines Scheinwerfers oder in einem Fahrzeug verändern, beispielsweise bei Regen, Schnee oder Nebel.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das
Konversionsmaterial einen mittleren Partikeldurchmesser zwischen 1 und 25 ym, insbesondere zwischen 2 und 15 ym, vorzugsweise zwischen 3 und 9 ym auf.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das
Konversionselement mit einem Aktivator oder Dotierstoff aktiviert. Die Konzentration des Dotierstoffs kann zwischen 0.1% und 10%, beispielsweise 3%, wie bei ( Yo.97Ceo.03) 3AI5O12, sein. Als Dotierstoff können beispielsweise Lanthanoide oder die Seltenen Erden verwendet werden. Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das
Konversionselement keine Löcher auf. Damit sind
Inhomogenitäten in dem Konversionselement gemeint, wie beispielsweise Poren oder andere Löcher, die zur Transmission von blauem Licht ohne Konversion oder Streuung eingerichtet sind. Dies kann beispielsweise durch die Partikelgröße und - form der Konversionsmaterialien oder durch Zusatz von
Füllstoffen oder Streupartikeln oder durch Auffüllen der Poren oder Löcher mit zusätzlichem (bevorzugt anorganischem) Material beeinflusst werden. Dies ist insbesondere dann wichtig, wenn ein kollimiertes Laserlicht durch das
Konversionselement gestreut oder konvertiert werden soll. Weitere Vorteile, vorteilhafte Ausführungsformen und
Weiterbildungen ergeben sich aus den folgenden in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Ausführungsbeispielen.
Es zeigen:
Die Figuren 1A bis 2F jeweils ein optoelektronisches
Bauelement gemäß einer Ausführungsform, die Figur 3 eine elektronenmikroskopische Aufnahme eines Konversionselements gemäß einer Ausführungsform die Figur 4A das hergestellte Konversionselement des
Ausführungsbeispiels 2 in Draufsicht gemäß einer
Ausführungsform, und die Figur 4B die Farborthomogenität des Ausführungsbeispiels 2 über die beschichtete Fläche.
In den Ausführungsbeispielen und Figuren können gleiche, gleichartige oder gleich wirkende Elemente jeweils mit den gleichen 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 zu groß dargestellt werden. Beispielsweise zeigen die Figuren 1A und 1B das Substrat 2, das dünner dargestellt ist als die Schichtdicke der ersten Schicht 10, obwohl bevorzugt die Schichtdicke des Substrats 2 (ca. 500 ym) größer ist als die Schichtdicke der ersten
Schicht 10 (maximal 200 ym) .
Die Figur 1A zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung eines Konversionselements 100 gemäß einer Ausführungsform. Das Konversionselement 100 weist ein Substrat 2 auf, auf dem eine Glasmatrix 3 angeordnet ist. In der Glasmatrix 3 ist das Konversionsmaterial 4 eingebracht, das zur
Wellenlängenkonversion eingerichtet ist. Das
Konversionsmaterial 4 und die Glasmatrix 3 bilden die erste Schicht 10. In diesem Beispiel ist das Konversionsmaterial 4 homogen in der Glasmatrix 3 verteilt.
Die Figur 1B zeigt die Verteilung des Konversionsmaterials 4 in der Glasmatrix 3 mittels eines Konzentrationsgradienten oder Korngrößengradienten. Größere Partikel des
Konversionsmaterials 4 sind zum Substrat 2 hin angeordnet, kleinere Partikel zur entgegengesetzten Seite des Substrats 1 angeordnet. Die Glasmatrix 3 kann beispielsweise ein
Telluritglas sein. Als Konversionsmaterial 4 kann ein Granat, wie YAG:Ce, verwendet werden.
Die Figuren 2A bis 2F zeigen jeweils eine Seitenansicht eines optoelektronischen Bauelements 1000 mit jeweils einem
Konversionselement 100 gemäß einer Ausführungsform, die jeweils als LARP-Anordnung angeordnet sind. Der Abstand
Laserquelle-Konversionselement kann einige cm aufweisen.
Die Figur 2A zeigt eine Laserquelle 1, die zur Emission einer Primärstrahlung (auch erste Strahlung, Laserstrahl oder Laserstrahlung genannt) 5 eingerichtet ist. Die erste
Strahlung 5 trifft direkt auf das Substrat 2 auf, das
beispielsweise Saphir ist und transmissiv ausgeformt ist. Dem Substrat 2 ist die Glasmatrix 3 und das Konversionsmaterial 4 nachgeordnet. Das Konversionsmaterial 4 absorbiert die
Primärstrahlung 5 zumindest teilweise und emittiert eine Sekundärstrahlung 6. Das Konversionselement 100 kann zur Vollkonversion oder Teilkonversion ausgebildet sein.
Vorzugsweise ist das Konversionselement 100 hier oder in den anderen Ausführungsbeispielen klebstofffrei .
Das Konversionselement 100 gemäß der Figur 2B zeigt ein
Substrat 2, das reflektierend ausgebildet ist. Das Substrat 2 erstreckt sich über die Grundseite der ersten Schicht 10 mit Glasmatrix 3, in dem das Konversionsmaterial 4 eingebettet ist, und an eine Seitenfläche der ersten Schicht 10. Die von der Laserquelle 1 emittierte Primärstrahlung 5 trifft somit direkt auf die Glasmatrix 3 auf, wird durch das
Konversionsmaterial 4 zumindest teilweise in Strahlung mit veränderter Wellenlänge konvertiert und an dem Substrat 2 reflektiert. Die Laserquelle 1 kann auf einer Wärmesenke 8 angeordnet sein. Sowohl die Laserquelle 1 als auch die
Glasmatrix 3 und das Substrat 2 können ferner auf einem
Träger 7 angeordnet sein. Der Träger 7 kann beispielsweise eine Leiterplatte sein. Der Laserstrahl 5 kann hier senkrecht und/oder unter einem bestimmten Winkel zum Konversionselement 100 einstrahlen.
In den Ausführungsformen der Figuren 2A und 2B kann
zusätzlich das Konversionselement 100 in Bezug auf die
Laserquelle 1 mechanisch unbeweglich montiert sein. Der
Laserstrahl 5 der Laserquelle 1 kann dazu befähigt sein, die Oberfläche des Konversionselements 100 abzuscannen oder sich auf dieser zu bewegen (dynamisch) . Dies schließt nicht aus, dass bei Bewegung des Laserstrahls 5 die Laserquelle 1 in Bezug auf das Konversionselements 100 mechanisch unbeweglich montiert ist.
Alternantiv kann der Laserstrahl 5 statisch zum
Konversionselement 100 angeordnet sein. Der Laserstrahl 5 der Laserquelle 1 ist also auf einer fixen Position der
Oberfläche des Konversionselements 100 angeordnet.
Die Figur 2C zeigt die Anordnung der Laserquelle 1 in einem Winkel zum Substrat 2 und der Glasmatrix 3. Das Gleiche gilt für das Konversionselement 100 gemäß der Figur 2D. Bei dem Konversionselement 100 der Figur 2D ist die Laserquelle 1 in einen Lichtleiter integriert. Die erste Schicht 10, die
Glasmatrix 3, das Konversionsmaterial 4 und das Substrat 2 können analog den bisherigen Ausführungen ausgestaltet sein. Bei der Figur 2C sind die Laserquelle 1 und das Substrat 2 mit der Glasmatrix 3 nicht auf einem gemeinsamen Träger 7 angeordnet. Die Primärstrahlung 5 kann freilaufend, wie in Figur 2C oder Figur 2D gezeigt, über einen Lichtleiter auf das Substrat 2 beziehungsweise die Glasmatrix 3 treffen. Das Substrat 2 ist in den beiden Fällen transmissiv ausgeformt. Für eine reflektive Anwendung ist das Substrat 2 reflektiv ausgeformt und unter der Glasmatrix 3 angeordnet. D.h. die Primärstrahlung 5 trifft erst auf die Glasmatrix 3 und dann auf das reflektive Substrat 2 (ohne Abbildung) .
Zwischen Laserquelle 1 und dem Konversionselement 100 können optische Elemente 9, wie Linse oder Kollimator oder Spiegel, angeordnet sein (siehe Figur 2F) . Die Figur 2E entspricht im Wesentlichen der Ausführungsform der Figur 2A. Im Unterschied zur Figur 2A weist die
Ausführung der Figur 2E eine dichroitische Beschichtung 21 und/oder eine Antireflexbeschichtung 22 als Teil des
Substrats 2 auf. Die dichroitische Beschichtung 21 ist direkt an der ersten Schicht 10 angeordnet. Die
Antireflexbeschichtung 22 ist an der der ersten Schicht 10 abgewandten Seite des Substrats 2 angeordnet. Ausführungsbeispiel 1: ZnO-B203~Si02 als Glasmatrix 221
(Brechungsindex ungefähr 1,6).
Eine Paste, die mit einem Pulver eines Glases, bestehend aus Zinkoxid, Boroxid, Siliziumdioxid und Aluminiumoxid, Granat als Konversionsmaterialpulver und einem herkömmlichen
Siebdruckmedium, bestehend aus einem Binder und einem
Lösemittel, hergestellt wurde, wird auf das Substrat mit einer der gängigen Beschichtungsmethoden aufgebracht. Das Aufbringen kann beispielsweise mittels Rakeln mit einer
Schichtdicke im nassen Zustand zwischen 30 und 200 ym, vorzugsweise 50 bis 150 ym, insbesondere zwischen 60 und 130 ym, erfolgen. Nach dem Trocknen kann das Konversionselement bei einer Temperatur von beispielsweise 600 °C getempert werden. Nach dem Tempern kann die erste Schicht 10 des
Konversionselements 100 ein Konversionsmaterial 4 mit einem Anteil von 25 Vol.-% enthalten.
Die Figur 3 zeigt exemplarisch eine elektronenmikroskopische Aufnahme (SEM) eines Konversionselements 100 gemäß einer Ausführungsform. Die Schichtdicke der ersten Schicht 10 ist ungefähr 85 ym nach einer Tempertemperatur von ungefähr 600 °C für dreißig Minuten. Das Konversionsmaterial 4 weist einen Anteil von ungefähr 22 Vol.-% in der ersten Schicht 10 auf. Als Substrat 2 wurde ein Borsilikatglas mit einer guten chemischen Resistenz verwendet.
Die gemessene Quanteneffizienz des Beispiels der Figur 3 ist ca . 98 % (absoluter Wert) . Die gemessene Absorption lag bei 1,8 % in einem Wellenlängenbereich von 680 bis 720 nm. Beide Werte zeigen, dass die hier beschriebenen Konversionselemente 100 in den hier beschriebenen optoelektronischen Bauelementen 1000 exzellente Eigenschaften aufweisen. Die Quanteneffizienz und die Absorption wurde mit einem Hamamatsu-Quantaurus- Aufbau gemessen.
Ausführungsbeispiel 2: ZnO-B203-Si02 als Glasmatrix
(Brechungsindex ungefähr 1,6).
Es wurde eine Paste, aus einem Glaspulver bestehend aus
Zinkoxid, Boroxid, Siliziumdioxid und Aluminiumoxid, YAGaG als Konversionsmaterial in Pulverform und einem herkömmlichen Siebdruckmedium hergestellt und dann auf einem Saphirsubstrat mit einer dichroitischen Beschichtung aufgebracht. Das
Aufbringen erfolgte mittels Rakeln. Die Spalthöhe des Rakels war 60 ym. Die Dicke des Substrates war ungefähr 500 ym. Nach dem Trocknen bei 80° wurde das Konversionselement bei 600 °C für eine Minute mit einer Heizrate von 10 K/min getempert. Nach dem Temperschritt enthielt die erste Schicht 10 des
Konversionselements 100 einen Konversionsmaterialanteil von 28 Vol.-% (berechnet ohne Poren) und eine Schichtdicke von ungefähr 20 ym der ersten Schicht 10. Figur 4A zeigt das hergestellte Konversionselement 100 des Ausfühungsbeispiels 2 in Draufsicht. Die Breite der
Beschichtung, hier mit einem Pfeil gekennzeichnet, beträgt ca. 1 cm. Figur 4B zeigt die Farbortverteilung des Ausfühungsbeispiels 2 über die beschichtete Fläche (as - Anzahl der Schritte; S - Schrittgröße) . Das Aluminiumoxid ist insbesondere im Glaspulver der
Ausführungsbeispiele 1 und 2 zu einem geringen Anteil
enthalten. Daher wurde dies in der Formel der
Ausführungsbeispiele 1 und 2 nicht berücksichtigt. Ausführungsbeispiel 3: ZnO-E>203-Si02 als Glasmatrix
(Brechungsindex ungefähr 1,6).
Das Ausführungsbeispiel 3 wurde wie das Ausführungsbeispiel 2 hergestellt und bei einer Temperatur von 600 °C für dreißig Minuten getempert. Die Schichtdicke der getemperten ersten Schicht ist ungefähr 20 ym.
Ausführungsbeispiel 4: ZnO-B203~Si02 als Glasmatrix
(Brechungsindex ungefähr 1,6).
Das Ausführungsbeispiel 4 wurde wie das Ausführungsbeispiel 3, aber mit einer Spalthöhe von 60 ym hergestellt. Die Dicke der getemperten ersten Schicht ist ungefähr 13 ym. Die in Verbindung mit den Figuren beschriebenen
Ausführungsbeispiele und deren Merkmale können gemäß weiterer Ausführungsbeispiele auch miteinander kombiniert werden, auch wenn solche Kombinationen nicht explizit in den Figuren gezeigt sind. Weiterhin können die in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Ausführungsbeispiele zusätzliche oder alternative Merkmale gemäß der Beschreibung im allgemeinen Teil 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.
Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Patentanmeldung 10 2017 104 134.6, deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.
Bezugs zeichenliste optoelektronisches Bauelement
100 Konversionselement
1 Laserquelle oder Lichtquelle
2 Substrat
3 Glasmatrix
4 Konversionsmaterial
5 Primärstrahlung oder die von der Laserquelle emittierte Strahlung oder Laserstrahl oder erste Strahlung
6 Sekundärstrahlung oder die von dem Konversionsmaterial emittierte Strahlung
7 Träger
8 Wärmesenke
9 optisches Element
10 erste Schicht
21 dichroitische Beschichtung
22 Antireflexbeschichtung

Claims

Patentansprüche
Optoelektronisches Bauelement (1000) aufweisend
- zumindest eine Laserquelle (1), die in Betrieb zumindest einen Laserstrahl (5) emittiert,
- ein freitragendes Konversionselement (100), das im
Strahlengang des Laserstrahls (5) angeordnet ist,
- wobei das freitragende Konversionselement (100) ein
Substrat (2) und nachfolgend eine erste Schicht (10) aufweist, wobei die erste Schicht (10) direkt mit dem Substrat (2) verbunden ist und zumindest ein
Konversionsmaterial (4) aufweist, das in einer
Glasmatrix (3) eingebettet ist,
- wobei die Glasmatrix (3) einen Anteil von 50 Vol% bis 80 Vol% in der ersten Schicht aufweist,
- wobei das Substrat (2) frei von der Glasmatrix (3) und dem Konversionsmaterial (4) ist und zur mechanischen Stabilisierung der ersten Schicht dient, und
- wobei die erste Schicht (10) eine Schichtdicke von
kleiner als 200 ym aufweist.
2. Optoelektronisches Bauelement (1000) nach Anspruch 1, wobei der Laserstrahl (5) dynamisch zum Konversionselement (100) angeordnet ist.
3. Optoelektronisches Bauelement (1000) nach Anspruch 1, wobei der Laserstrahl (5) statisch zum Konversionselement (100) angeordnet ist.
4. Optoelektronisches Bauelement (1000) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,
das einen dichroitischen Schichtenstapel (21) aufweist, der zwischen Substrat (2) und Glasmatrix (3) angeordnet ist, wobei der Laserstrahl (5) das Substrat (2) und den dichroitischen Schichtenstapel (21) transmittiert und das Konversionsmaterial (4) die transmittierte Strahlung
zumindest teilweise in Strahlung mit veränderter längerer Wellenlänge konvertiert, wobei die konvertierte Strahlung von dem dichroitischen Schichtenstapel (21) zumindest teilweise reflektiert wird.
5. Optoelektronisches Bauelement (1000) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,
das ein Substrat (2) aufweist, auf dem die Glasmatrix (3) angeordnet ist,
wobei der Laserstrahl (5) auf das Konversionsmaterial (4) trifft und die Laserstrahlung zumindest teilweise in
Strahlung mit veränderter längerer Wellenlänge konvertiert, wobei die Primär- und Sekundärstrahlung am Substrat (2) oder in Kombination mit einer zwischen dem Substrat (2) und der Glasmatrix (3) befindlichen reflektiven Schicht und/oder eines dichroitischen Schichtenstapel (21) reflektiert werden, und wobei die reflektierte Strahlung wieder über das
Konversionsmaterial (4) austritt.
6. Optoelektronisches Bauelement (1000) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei das Substrat (2) Glas, Keramik, Glaskeramik, Metall oder Saphir ist.
7. Optoelektronisches Bauelement (1000) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei das Substrat (2) eine höhere Erweichungstemperatur als die Erweichungstemperatur der Glasmatrix (3) aufweist.
8. Optoelektronisches Bauelement (1000) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei für transmissive Anordnungen das Substrat (2) zwischen der Laserquelle (1) und der ersten Schicht angeordnet ist, oder wobei für reflektive Anordnungen die erste Schicht zwischen der Laserquelle (1) und dem Substrat (2) angeordnet ist .
9. Optoelektronisches Bauelement (1000) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei die erste Schicht (10) eine dem Substrat (2) abgewandte Oberfläche aufweist, die strukturiert ist.
10. Optoelektronisches Bauelement (1000) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei die Glasmatrix (3) oxidisch ist und Bleioxid,
Bismutoxid, Boroxid, Siliziumdioxid, Telluroxid,
Phosphorpentoxid, Aluminiumoxid oder Zinkoxid umfasst.
11. Optoelektronisches Bauelement (1000) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei die Glasmatrix (3) ZnO, B2O3 und S1O2 umfasst.
12. Optoelektronisches Bauelement (1000) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei die Glasmatrix (3) ZnO, zumindest einen Glasbildner und einen Netzwerkwandler oder ein Zwischenoxid aufweist, der zumindest eines der folgenden Materialien umfasst:
Erdalkalioxid, Alkalioxid, Aluminiumoxid, Zirkoniumoxid, Nioboxid, Tantaloxid, Telluroxid, Wolframoxid, Molybdänoxid, Antimonoxid, Silberoxid, Zinnoxid, Oxid der Seltenen Erden.
13. Optoelektronisches Bauelement (1000) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei die Glasmatrix (3) ein Telluritglas , ein Silikatglas, ein Alumosilikatglas , ein Boratglas, ein Borosilikatglas oder ein Phosphatglas ist.
14. Optoelektronisches Bauelement (1000) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei die Glasmatrix (3) einen Anteil von maximal 75 Vol% in der ersten Schicht (10) aufweist.
15. Optoelektronisches Bauelement (1000) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei das zumindest eine Konversionsmaterial (4) aus
folgender Gruppe ausgewählt ist:
(Y, Gd, Tb, Lu) 3 (AI, Ga) 5O12 : Ce3+, (Sr, Ca) AIS1N3 : Eu2+,
(Sr,Ba,Ca,Mg)2Si5N8:Eu2+, (Ca, Sr, Ba) 2Si04 : Eu2+, -SiA10 : Eu2+, ß-SiA10N:Eu2+, ( Sr, Ca) S : Eu2 , ( Sr, Ba, Ca) 2 ( Si , AI ) 5 (N, 0) 8 : Eu2+, (Ca, Sr) 8Mg (Si04) 4Cl2:Eu2+, (Sr,Ba) Si2N202 : Eu2+ .
16. Optoelektronisches Bauelement (1000) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei mindestens zwei verschiedene Konversionsmaterialien (4) in der Glasmatrix (3) eingebettet sind.
17. Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen
Bauelements (1000) nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 16 mit den Schritten:
A) Bereitstellen eines freitragenden Konversionselements (100) zumindest in den Strahlengang eines Laserstrahls (5), das vor dem Bereitstellen wie folgt hergestellt wird:
Bl) Mischung von zumindest einem Konversionsmaterial (4) und einem Glaspulver, das nach einem späteren Verglasungsschritt die Glasmatrix (3) erzeugt, und gegebenenfalls weiteren
Stoffen wie Lösemittel und Binder zur Erzeugung einer Paste, B2) Aufbringen der Paste direkt auf ein Substrat (2) zur Erzeugung einer ersten Schicht (10),
B3) Trocknen der ersten Schicht (10) bei mindestens 75 °C, B4) Erhitzen des Substrats (2) und der ersten Schicht (10) auf eine Temperatur, die mindestens so hoch ist, wie die Temperatur, bei der das Glasmatrixmaterial der ersten Schicht (10) eine Viskosität von 105 dPa*s aufweist, wobei die
Temperatur größer als 350 °C ist, und gegebenenfalls
B5) Glätten oder Aufrauen einer dem Substrat (2) abgewandten Oberfläche der ersten Schicht (10) .
18. Verfahren nach Anspruch 17,
wobei Schritt B2) mittels Rakeln, Siebdruck, Schablonendruck, Dispensen oder Sprühbeschichtung erfolgt.
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