WO2020074328A1 - Umhüllungsmaterial, konversionsmaterial, optoelektronisches bauelement und verfahren zur herstellung eines umhüllungsmaterials - Google Patents

Umhüllungsmaterial, konversionsmaterial, optoelektronisches bauelement und verfahren zur herstellung eines umhüllungsmaterials Download PDF

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Definitions

  • a wrapping material, a conversion material and an optoelectronic component are specified.
  • a method for producing a wrapping material is specified.
  • a wrapping material is specified.
  • Wrapping material is provided, for example, as a wrapping material for an optoelectronic semiconductor chip.
  • the encapsulation material is intended to encapsulate an optoelectronic semiconductor chip and thus to protect it from external mechanical or chemical influences. Alternatively or additionally, this can be done
  • the wrapping material is preferably designed to be transparent or transparent to electromagnetic radiation, in particular visible light.
  • electromagnetic radiation can be emitted or detected by the optoelectronic semiconductor chip during operation.
  • this comprises
  • Semiconductor chip is a starting material for forming a sol-gel material.
  • the starting material can be used to manufacture the
  • Wrapping material can be introduced into a solvent.
  • the starting material is preferably partially there
  • a sol denotes the partially polymerized starting material that is freely present in the solvent. In the solvent, the starting material partially polymerizes to a 3D structure, the so-called gel, the
  • sol-gel material is not polymerized over its entire volume, but forms a liquid of less compared to the gel
  • the starting material can also be polymerized to a gel without a solvent.
  • the sol-gel material can, for example, by at least partially removing the solvent, for example
  • Wrapping material are destabilized so that a solid body of the wrapping material is formed.
  • the sol-gel material is preferably designed to adhere to an optoelectronic semiconductor chip.
  • the sol-gel material can be designed such that after coating and removal of the solvent, the encapsulation material adheres to the optoelectronic semiconductor chip.
  • the wrapping material then opposes detachment - for example by means of mechanical force - at least within certain limits. This means, for example, that the layer does not detach during further processing of the optoelectronic semiconductor chip coated with the encapsulation material. According to at least one embodiment, this
  • Stabilizer material is set up to mechanically stabilize the wrapping material. This is preferred
  • Stabilizer material the polymerization to the sol-gel material can take place in an uncontrolled manner, resulting in a
  • comparison wrapping materials have no
  • Wrapping material as a starting material is a material which comprises or is an alkoxy (alkyl) silane.
  • Alkoxy (alkyl) silane is called an alkoxyalkylsilane and an alkoxysilane.
  • Alkoxy (alkyl) silane refers to a group that includes a
  • the substituents are preferably alkyl groups and / or
  • Stabilizer material selected from a group which contains salts, metal alkoxides and / or metal oxides.
  • Stabilizer material can be salts, metal alkoxides
  • Stabilizer material include salts, metal alkoxides or metal oxides, which are present as nanoparticles. Salts are chemical compounds from negatively charged
  • the chemical bond between cations and anions is preferably an ion bond.
  • the salts can preferably in their liquid medium, here in the solvent
  • the metal alkoxides and metal oxides can dissociate in the liquid medium.
  • the nanoparticles refer to composites of a few to a few thousand atoms or molecules.
  • the diameter of the nanoparticles - for example the mean diameter d50 - is for example between at least 1 nm and at most 2000 nm, in particular at most 500 nm.
  • this comprises
  • Wrapping material is a starting material for the formation of a sol-gel material and a stabilizer material which is set up for mechanical stabilization.
  • Starting material comprises at least one alkoxy (alkyl) silane and the stabilizer material is selected from a group consisting of salts, metal alkoxides and / or metal oxides
  • a coordinative bond is a weak bond, in which the binding pair of electrons, the is capable of binding from which the oxygen atom of the sol-gel material originates.
  • the stabilizer material is selected from the group consisting of salts, metal alkoxides and / or metal oxides
  • Oxygen atom of the sol-gel material coordinates with the positively charged ions of the stabilizer material.
  • Stabilizer material selected from a group that
  • any salt can be used as the stabilizer material, the one
  • Sodium hydrogen phosphate, sodium dihydrogen phosphate used.
  • sodium chloride, calcium chloride and aluminum chloride are used as halide salts.
  • Carbonates are preferably sodium carbonate.
  • At least one salt is particularly preferred as
  • Stabilizer material are introduced and / or that
  • At least one of the salts is in the form of nanoparticles.
  • Stabilizer material can be used.
  • the valence of an ion indicates how many atoms it can bind to itself in a chemical bond. Serve as stabilizer material
  • Wrapping material depends on the salt used.
  • the proportion of aluminum chloride as stabilizer material in the coating material is between at least 0.1% by weight and at most 50% by weight.
  • the proportion of sodium chloride as stabilizer material in the coating material is between at least 0.1% by weight and at most 50% by weight.
  • Wrapping material is preferably significantly less and is in the wrapping material at least 0.01% by weight and at most 5% by weight. If the proportions of salt in the wrapping material are too high, the liability of the wrapping material may increase
  • the optoelectronic component are adversely affected.
  • Stabilizer material in the wrapping material is that
  • the durability of the coating material is preferably determined by the choice of the suitable salt.
  • Stabilizer material selected from a group of metal alkoxides.
  • Stabilizer material are used, the one
  • the metal alkoxides are from a group of monovalent, bivalent,
  • Metal alkoxides have the general formula M (OR) n .
  • M can be selected from the following metals: alkali metals, alkaline earth metals, from the metals of the boron group and
  • R preferably denotes alkyl substituents such as methyl, ethyl, propyl, isopropyl, butyl, tert-butyl substituents.
  • n is a natural number that depends on the metal and is in particular between 1 and 4. These materials are preferred: metal ethoxides,
  • Metal methoxides metal isopropoxides and metal butoxides.
  • titanium (IV) isopropoxide titanium (IV) butoxide, titanium (IV) ethoxide, aluminum isopropoxide, zirconium (IV) ethoxide and zirconium (IV) isopropoxide can be used as the stabilizer material.
  • Cladding material as stabilizer material metal oxides Metal oxides are used as the stabilizer material by the oxygen atom in the sol-gel material
  • the metal oxides are selected from a group of monovalent, divalent, trivalent and tetravalent materials.
  • the metal oxides are particularly preferably selected from a group which
  • Titanium dioxide zirconium (IV) oxide and aluminum oxide.
  • the metal oxide is preferably designed as a nanomaterial.
  • a refractive index of the cladding material can be increased by adding the nanomaterial as a stabilizer material.
  • Suitable nanomaterials can in particular be nanoparticles, nanorods, nanowires or nanosheets. These can be made of Ti0 2 , ZrÜ 2 , BaTi0 3 , SrTi0 3 , TCO
  • Metal oxides can stabilize the coating material and lower the processing temperature.
  • TCO are transparent conductive oxides.
  • the TCO includes Ih 2 q 3 , Sn0 2 , ZnO or CdO.
  • the oxides are preferably doped with Sn, Zn, Al, Ga or In.
  • the oxides are doped with at least 1 mol% to at most 40 mol%, such as, for example, Ih 2 q 3 doped with 3 mol% Sn or Ih 2 q 3 doped with 10 mol% Sn.
  • Other examples of TCO are ITO
  • IGO Indium doped molybdenum oxide
  • Gallium oxide and mixtures thereof.
  • Nanoparticles with which the refractive index can be increased are Ti0 2 , ZrÜ 2 , BaTi0 3 , ITO (indium tin oxide), TCO,
  • the diameter of the nanoparticles preferably has between at least 1 nm and at most 2 ⁇ m - for example that
  • nanoparticles as stabilizer material into the sol-gel material has effects on the refractive index of the encapsulation material and / or on the stabilization and durability of the encapsulation material.
  • the nanoparticles preferably have a larger one
  • Refractive index as the cladding material without nanoparticles or conventional silicones is the proportion of nanoparticles that is introduced into the sol-gel material preferably depends on the refractive index of the nanoparticles and / or the stabilization capabilities of the nanoparticles on the coating material. The larger the refractive index of the Is nanoparticle, the lower the amount to be introduced
  • nanoparticles with a small diameter For example, nanoparticles with a small diameter
  • Refractive index requires a larger proportion of nanoparticles in the coating material and introduced than for
  • Nanoparticles with a larger refractive index if a certain predeterminable refractive index is to be set. It is also particularly preferred that two or more different types of nanoparticles than
  • Stabilizer material are introduced.
  • a combination of metal oxides and salts, or metal oxides and metal alkoxides, metal alkoxides and salts or metal oxides and salts and metal alkoxides can be introduced as stabilizer material in order to be able to better adjust the desired material properties.
  • a surface of the stabilizer material is free from any modification.
  • the modification describes the introduction of, for example, organic groups which are attached to the
  • Hydroxy groups can be used as organic groups.
  • Alkyl substituents are selected from one another from the group of alkyls.
  • the Alkyl substituents preferably have a hydrocarbon radical C1-C4.
  • the alkyl substituents are particularly preferably selected from the group:
  • the wrapping material has
  • TEOS tetraethyl orthosilicate
  • TMOS Tetramethyl orthosilicate
  • Structural unit A Use as wrapping material.
  • alkyl substituents are selected from one another from the group of alkyls.
  • the alkyl substituents preferably have a hydrocarbon radical C1-C4.
  • the alkyl substituents are particularly preferably selected from the group:
  • the wrapping material has
  • Enveloping material has a starting material which, in addition to the structural unit A, has a further structural unit B different from the structural unit A.
  • the wrapping material preferably has as the starting material
  • TEOS Tetraethyl orthosilicate
  • TMOS Tetramethylorthosilicate
  • trimethoxymethylsilanes for example trimethoxymethylsilanes (MTMOS) and
  • MTEOS Triethoxymethylsilane
  • the proportion of the alkoxy (alkyl) silanes of structural unit A is preferably between at most 100% by weight and at least 0% by weight.
  • alkoxy (alkyl) silane of structural unit B preferably MTMOS and / or MTEOS
  • the addition of the alkoxy (alkyl) silane of structural unit B, preferably of MTMOS and / or MTEOS, to the sol-gel synthesis with stabilizer material leads to less crack formation, which, when hardened, leads to the coating material,
  • an annealing process can be preferred, compared to pure silicate materials based on alkoxy (alkyl) silanes of structural unit A, preferred
  • Tetraethyl orthosilicate and / or tetramethyl orthosilicate Tetraethyl orthosilicate and / or tetramethyl orthosilicate.
  • Alkoxy (alkyl) silanes of structural unit B preferably MTEOS and / or MTMOS-based sol-gel materials, preferably form a polysiloxane which preferably has an alkyl group X 4
  • Methyl group has on the silicon atom.
  • the alkyl group on the silicon atoms changes the 3D structure of the gel in such a way that crack-resistant films are formed when the coating material is cured.
  • alkoxy (alkyl) silanes of structural unit B preferably MTEOS- and / or MTMOS-based sol-gel material with stabilizer material,
  • the alkoxy (alkyl) silane of structural unit B particularly preferably MTEOS- and / or MTMOS-based sol-gel material with stabilizer material, has better adhesion of the encapsulation material, for example to the optoelectronic semiconductor chip, compared to a sol-gel -Material based on alkoxy (alkyl) silanes of structural unit A, preferably tetraethyl orthosilicate and / or
  • Tetramethyl orthosilicate One reason for the improved adhesion of the wrapping material is the reduced cracking in the wrapping material.
  • a conversion material is also specified.
  • Conversion material is provided, for example, an electromagnetic primary radiation of a first
  • Convert wavelength range into electromagnetic secondary radiation of a second wavelength range For this purpose, for example, in a wrapping material, which as Matrix material is used, phosphor material embedded, which is used for the conversion of electromagnetic radiation
  • the conversion material can in particular be designed as a conversion layer.
  • the phosphor material is preferably designed as a phosphor particle and is embedded in the coating material.
  • the phosphor particles particularly preferably have a ceramic host lattice, an organic conversion material or quantum dots.
  • the phosphor particles particularly preferably have a ceramic host lattice, an organic conversion material or quantum dots.
  • the garnet phosphor is particularly preferably a YAG phosphor with the chemical formula Y 3 Al 5 O 12 : Ce 3+ .
  • the garnet phosphor preferably converts electromagnetic primary radiation of a first wavelength range into electromagnetic radiation
  • the second wavelength range is preferably in the green and / or yellow wavelength range.
  • the optoelectronic component is provided, for example, to generate an electromagnetic primary radiation of a first wavelength range in a semiconductor chip and then to emit it.
  • the emitted primary electromagnetic radiation is in one Conversion material, which has a phosphor material and a coating material described here, in
  • Conversion material That is, all features that are disclosed for the conversion material are also disclosed for the optoelectronic component and vice versa.
  • optoelectronic component a semiconductor chip that operates during operation of a primary electromagnetic radiation
  • the semiconductor chip is, for example, a light-emitting diode chip or a laser diode chip. During operation, the semiconductor chip can, for example, emit electromagnetic primary radiation from the wavelength range of UV radiation and / or blue light.
  • the conversion material is set up, which is different from the first wavelength range.
  • the conversion material is preferably arranged downstream of the semiconductor chip.
  • the conversion material is set up to generate a partial conversion or a full conversion. This is particularly dependent on the phosphor material used and the thickness of the conversion material. "Subordinate" means that at least 50% percent,
  • a higher refractive index in the coating material of the conversion material preferably achieved by adding metal oxides, for example nanoparticles as
  • Stabilizer material in the wrapping material advantageously improves the light decoupling of the optoelectronic
  • a solvent is provided.
  • the solvent has a pH of at most 5.
  • a starting material for forming a sol-gel material is introduced into the solvent.
  • Wrapping material is a stabilizer material that is used for
  • the stabilizer material for example, is introduced into the solvent with the starting material.
  • the stabilizer material is stored in the sol-gel material According to at least one embodiment, this is
  • the stabilizer material is selected from a group that contains salts, metal alkoxides and / or metal oxides as materials.
  • a solvent with a pH value of at most 5 is provided.
  • the starting material for forming the sol-gel material is introduced into the solvent.
  • the stabilizer material which is set up for mechanical stabilization, is introduced into the solvent.
  • the starting material is selected from the group of alkoxy (alkyl) silanes and the stabilizer material is selected from the group that contains salts, metal alkoxides and / or metal oxides as materials.
  • the solvent is selected from a group of protic solvents.
  • Protic solvents have a functional group from which hydrogen atoms can be split off as protons and the starting material can thereby be hydrolyzed. For example, as
  • Solvents water and alcohols and combinations thereof are used.
  • the alcohol preferably comprises methanol, ethanol, isopropanol and butanol.
  • the pH of the solvent is at most 5.
  • the pH is adjusted using an acid, in particular hydrochloric acid, formic acid or acetic acid.
  • a low pH Value is advantageous because the starting material can then be hydrolyzed particularly quickly.
  • the starting material is through the solvent
  • Embedded solvents are called gels.
  • the amount of solvent and the amount of acid in the solvent affect the rate of gel formation. With a short polymerization time, the processability of the coating material is restricted. A small proportion of acid is preferably chosen, which leads to a controlled polymerization.
  • the stabilizer material is introduced into the solvent before the starting material is introduced. It has proven to be particularly advantageous that
  • the starting material may already have been polymerized to a certain extent to the sol-gel material and the coordination from the oxygen atoms of the starting material to the
  • Stabilizer material is difficult. This means that a small proportion of the stabilizer material can be embedded in the 3D structure of the gel.
  • the starting material is introduced and the Stabilizer material with continuous mechanical mixing. Through the continuous
  • the stabilizer material can be well homogenized with the starting material and that
  • Stabilizer material can be embedded in the 3D structure of the gel, distributed homogeneously.
  • One idea of the present wrapping material is to incorporate a stabilizer material into a sol-gel material so that the wrapping material adheres to one
  • optoelectronic semiconductor chip can be improved and the durability of the encapsulation material compared to
  • Comparative sol-gel materials can be improved without stabilizer materials.
  • metal oxides, in particular nanoparticles, as stabilizer material into the sol-gel material leads, among other things, to a targeted adjustment of the refractive index of the coating material.
  • alkoxy (alkyl) silanes preferably structural unit B
  • introduction of additional alkoxy (alkyl) silanes, preferably structural unit B, into the sol-gel material reduces the cracking of the encapsulation material, which leads to improved adhesion of the encapsulation material to the optoelectronic semiconductor chip.
  • FIGS. 1 and 2 each show a chemical representation of a wrapping material in accordance with one exemplary embodiment
  • Figure 3 is a schematic sectional view of a
  • Figure 4 is a schematic sectional view of a
  • FIGS 5A, 5B, 5C, 5D, 5E and 5F are schematic
  • Figure 6 scanning electron microscopic representation of a conversion material according to an embodiment.
  • the wrapping material 1 according to the exemplary embodiment in FIG. 1 has a starting material 3 for forming a sol-gel material 13.
  • the starting material 3 used is an alkoxy (alkyl) silane, here tetraethyl orthosilicate 17.
  • the starting material 3 is initially characterized by the protons of the
  • Solvent 11 hydrolyzed. Ethanol is split off and a hydrolyzed compound 4 is formed
  • hydrolyzed compound 4 reacts with the starting material 3, alkoxy (alkyl) silane to form a dimer and ethanol.
  • one dimer can be formed by hydrolyzing two
  • At least two dimers can be replaced by an inorganic
  • alkoxy (alkyl) silane can be obtained. Silicon chains are formed which are connected to one another via oxygen atoms 7. Part of the starting material is polymerized as a gel in a 3D structure and another part is available as a sol that is free in the
  • Solvent is present.
  • the exemplary embodiment shown in FIG. 2 has a gel 5 in a 3D structure.
  • the gel 5 is
  • Stabilizer material 6 introduced.
  • the stabilizer material 6 is set up for mechanical stabilization.
  • Stabilizer material 6 can be designed as a metal oxide, metal alkoxide and as a salt.
  • the stabilizer material 6 has for example monovalent cations 14, divalent cations 15 and / or trivalent cations 16.
  • Stabilizer material 6 is designed as a cation and is coordinated by the oxygen atom 7 of the gel 5.
  • Oxygen atom 7 is bound by two silicon atoms 18 each.
  • the introduction of the stabilizer material 6 into the gel 5 has the effect that the ring tension in the 3D structure is relaxed. That is, fewer cracks are formed in the gel 5.
  • the conversion material 8 shows a coating material 1 described here and a phosphor material 9.
  • the phosphor material 9 is embedded in the coating material 1.
  • the wrapping material 1 has a sol-gel material 13, into which stabilizer material 6 is introduced.
  • the phosphor material 9 is designed as a phosphor particle and has a ceramic host lattice, an organic conversion material 8 or quantum dots.
  • the phosphor material 9 converts electromagnetic primary radiation from a first one
  • Wavelength range in electromagnetic secondary radiation of a second wavelength range is, for example, the phosphor material 9 has a garnet phosphor.
  • the second wavelength range is, for example, in the green and / or yellow wavelength range.
  • the garnet phosphor is in particular a YAG phosphor with the chemical
  • the exemplary embodiment shown in FIG. 4 has an optoelectronic component 10.
  • the optoelectronic component 10 comprises a semiconductor chip 2, which emits electromagnetic primary radiation during operation of a first one
  • the conversion material 8 converts primary electromagnetic radiation of a first wavelength range into secondary electromagnetic radiation of a second wavelength range.
  • the conversion material 8 is arranged downstream of the optoelectronic semiconductor chip 2. For example, the conversion material 8 is in direct contact with the optoelectronic semiconductor chip 2
  • the conversion material 8 can completely infer the electromagnetic primary radiation of a first wavelength range
  • a solvent 11 with a pH value of at most 5 is provided in a first step, FIG. 5A.
  • the stabilizer material 6, which is provided for the mechanical stabilization of the sol-gel material 13, is introduced into the solvent 11.
  • the stabilizer material 6 is selected from a group comprising salts, metal alkoxides and / or metal oxides.
  • Stabilizer material 6 can comprise, for example, an aluminum salt or a sodium salt. This is stirred in the solvent 11 until it has completely dissolved. A starting material 3, for example TEOS, is then added to the solution. The reaction mixture is stirred for a few hours, Figure 5B. After a certain time with constant stirring, heat develops and the reaction mixture becomes transparent, for example, which is a consequence of the hydrolysis and polycondensation reaction to the sol-gel material 13, FIGS. 5B, 5C.
  • the sol-gel material 13 with stabilizer material 6 is contained in a solvent 11.
  • a part of the sol-gel material 13 is polymerized to the 3D structure of the gel 5 and another part lies
  • the phosphor material 9 is placed in a vessel and the previously synthesized sol-gel material 13 is added to the phosphor material 9.
  • the reaction mixture becomes mechanical continuously
  • the solvent 11 is removed from the sol-gel material 13 in order to obtain a coating material 1, FIG. 5F.
  • the solvent 11 is removed by initially drying in air. Then the optoelectronic semiconductor chip 2 with the
  • FIG. 5 Exemplary embodiment of FIG. 5 are given in the following two specific examples.
  • water is initially provided as solvent 11.
  • the solvent 11 is adjusted to a pH between 1 and 5 and an aluminum salt as
  • Stabilizer material 6 is added.
  • reaction mixture is mixed mechanically until the aluminum salt is dissolved.
  • TEOS as the starting material is added to the reaction mixture and the reaction mixture is mixed thoroughly mechanically for 0.5-3 hours.
  • a gel 5 runs faster.
  • a YAG phosphor material 9 is placed in a glass vessel.
  • the sol-gel material 13 with stabilizer material 6 is added.
  • the reaction mixture is mixed mechanically until a homogeneous distribution of the phosphor material 9 in the sol-gel material 13 is achieved.
  • the coated optoelectronic semiconductor chip 2 is dried in air and then placed in an oven. During the first annealing process, the coated one
  • optoelectronic semiconductor chip 2 heated for a few minutes at an oven temperature between 70 ° C and 100 ° C and
  • the coated optoelectronic semiconductor chip 2 is heated at an oven temperature of 300 ° C. and then cooled in air to room temperature.
  • water is provided as solvent 11.
  • the solvent 11 is adjusted to a pH between 1 and 5 and a sodium salt as stabilizer material 6 is added.
  • the reaction mixture is as long
  • TEOS is used as the starting material for the reaction mixture
  • sol-gel material 13 is processed further within usually two weeks.
  • a sol-gel material 13 with TEOS as Starting material 3 and without stabilizer material 6 is compared to a sol-gel material 13 with
  • a YAG phosphor material 9 is placed in a glass vessel.
  • the sol-gel material 13 with stabilizer material 6 is added.
  • the reaction mixture is mixed mechanically until a homogeneous distribution of the phosphor material 9 in the sol-gel material 13 occurs.
  • the coated optoelectronic semiconductor chip 2 is dried in air and then placed in an oven. During the first annealing process, the coated one
  • the coated optoelectronic semiconductor chip 2 heated at an oven temperature between 70 ° C and 100 ° C and then cooled in air to room temperature.
  • the coated optoelectronic semiconductor chip 2 is heated at an oven temperature of 300 ° C. and then cooled in air to room temperature.
  • Stabilizer material 6 in the sol-gel material 13 leads to a slower gelation and thus to an improved adhesion of the conversion material 8 to the optoelectronic semiconductor chip 2.
  • the cracking in the conversion material 8 is reduced compared to one
  • FIG. 5F corresponds, for example, to the exemplary embodiment according to FIG. 4.
  • an optoelectronic semiconductor chip 2 which has the conversion material 8 downstream.
  • the conversion material 8 includes that
  • FIG. 6 shows a scanning electron micrograph of the conversion material 8.
  • the right picture shows an enlarged picture of the left picture.
  • Envelope material 1 comprises TEOS as
  • Luminous material 9 is introduced into the covering material 1.
  • the phosphor material 9 is preferably designed as a phosphor particle and is embedded in the coating material 1.

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Abstract

Es wird ein Umhüllungsmaterial (1) für einen optoelektronischen Halbleiterchip (2) angegeben mit - einem Ausgangsmaterial (3) zur Bildung eines Sol-Gel-Materials (13), und - einem Stabilisatormaterial (6), das zur mechanischen Stabilisierung eingerichtet ist, wobei - das Ausgangsmaterial (3) zumindest ein Alkoxy (alkyl)silan umfasst, und - das Stabilisatormaterial (6) aus einer Gruppe ausgewählt ist, welche die folgenden Materialien enthält: Salze, Metallalkoxide, Metalloxide. Darüber hinaus werden ein Konversionsmaterial und ein optoelektronisches Bauelement mit einem solchen Umhüllungsmaterial angegeben. Zusätzlich wird ein Verfahren zur Herstellung eines Umhüllungsmaterials angegeben.

Description

Beschreibung
UMHÜLLUNGSMATERIAL, KONVERSIONSMATERIAL, OPTOELEKTRONISCHES
BAUELEMENT UND VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG EINES UMHÜLLUNGSMATERIALS
Es werden ein Umhüllungsmaterial, ein Konversionsmaterial und ein optoelektronisches Bauelement angegeben. Darüber hinaus wird ein Verfahren zur Herstellung eines Umhüllungsmaterials angegeben .
Es wird ein Umhüllungsmaterial angegeben. Das
Umhüllungsmaterial ist zum Beispiel als Umhüllungsmaterial für einen optoelektronischen Halbleiterchip vorgesehen. Das heißt, das Umhüllungsmaterial ist dazu vorgesehen, einen optoelektronischen Halbleiterchip zu umhüllen und ihn somit vor äußeren mechanischen oder chemischen Einflüssen zu schützen. Alternativ oder zusätzlich kann das
Umhüllungsmaterial als Matrixmaterial für ein
Leuchtstoffmaterial zur Bildung eines Konversionsmaterials dienen. Das Umhüllungsmaterial ist bevorzugt durchlässig oder klarsichtig transparent für elektromagnetische Strahlung, insbesondere sichtbares Licht, ausgebildet. Die
elektromagnetische Strahlung kann zum Beispiel im Betrieb des optoelektronischen Halbleiterchips von diesem emittiert oder detektiert werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das
Umhüllungsmaterial für einen optoelektronischen
Halbleiterchip ein Ausgangsmaterial zur Bildung eines Sol- Gel-Materials . Das Ausgangsmaterial kann bei einer Herstellung des
Umhüllungsmaterials in ein Lösungsmittel eingebracht werden. Das Ausgangsmaterial ist dort bevorzugt teilweise
hydrolysiert und zu einer hydrolysierten Verbindung
umgesetzt. Ein Sol bezeichnet das teilweise polymerisierte Ausgangsmaterial, das frei in dem Lösungsmittel vorliegt. Im Lösungsmittel polymerisiert das Ausgangsmaterial teilweise zu einer 3D-Struktur, dem sogenannten Gel, das
Lösungsmittelmoleküle umfasst, die in der 3D-Struktur
eingebettet sind. Das heißt, das Sol-Gel-Material ist nicht über sein gesamtes Volumen polymerisiert, sondern bildet eine Flüssigkeit von - verglichen mit dem Gel - geringer
Viskosität. Beispielsweise kann das Ausgangsmaterial auch ohne Lösungsmittel zu einem Gel polymerisiert werden.
Das Sol-Gel-Material kann beispielsweise durch zumindest teilweisen Entzug des Lösungsmittels, beispielsweise
Glühprozesse bei erhöhten Temperaturen, zu dem
Umhüllungsmaterial destabilisiert werden, so dass sich ein fester Körper des Umhüllungsmaterials bildet.
Bevorzugt ist das Sol-Gel-Material dazu eingerichtet, auf einem optoelektronischen Halbleiterchip zu haften. Das heißt, das Sol-Gel-Material kann derart ausgebildet sein, dass nach dem Beschichten sowie dem Entfernen des Lösungsmittels das Umhüllungsmaterial auf dem optoelektronischen Halbleiterchip haftet. Das Umhüllungsmaterial widersetzt sich dann einem Ablösen - beispielsweise mittels mechanischer Krafteinwirkung - zumindest in bestimmten Grenzen. Das heißt beispielsweise, dass bei Weiterverarbeitung des mit dem Umhüllungsmaterial beschichteten optoelektronischen Halbleiterchips die Schicht sich nicht löst. Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das
Umhüllungsmaterial ein Stabilisatormaterial auf. Das
Stabilisatormaterial ist zur mechanischen Stabilisierung des Umhüllungsmaterials eingerichtet. Bevorzugt ist das
Stabilisatormaterial in das Sol-Gel-Material eingebettet. Es hat sich herausgestellt, dass ohne den Zusatz von
Stabilisatormaterial die Polymerisation zu dem Sol-Gel- Material unkontrolliert ablaufen kann, was zu einer
verkürzten Haltbarkeit des Umhüllungsmaterials führt.
Zusätzlich weisen Vergleichsumhüllungsmaterialien ohne
Stabilisatormaterial in der Herstellung eine kürzere
Polymerisationsdauer auf, was ebenfalls zu einer unerwünscht schnellen und/oder unkontrollierten Polymerisation führt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das
Umhüllungsmaterial als Ausgangsmaterial ein Material auf, das ein Alkoxy (alkyl) silan umfasst oder ist. Als
Alkoxy (alkyl) silan wird zum einen ein Alkoxyalkylsilan bezeichnet und zum anderen ein Alkoxysilan. Das
Alkoxy (alkyl) silan bezeichnet eine Gruppe, die ein
Siliziumatom mit vier organischen Substituenten aufweist. Bevorzugt sind die Substituenten Alkylgruppen und/oder
Alkoxygruppen .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das
Stabilisatormaterial aus einer Gruppe ausgewählt, welche Salze, Metallalkoxide und/oder Metalloxide enthält. Das
Stabilisatormaterial kann dabei Salze, Metallalkoxide
und/oder Metalloxide umfassen. Ferner kann das
Stabilisatormaterial Salze, Metallalkoxide oder Metalloxide umfassen, die als Nanopartikel vorliegen. Salze sind chemische Verbindungen aus negativ geladenen
Ionen, Anionen und positiv geladenen Ionen, Kationen.
Bevorzugt ist die chemische Bindung zwischen Kationen und Anionen eine Ionenbindung. Die Salze können bevorzugt im flüssigen Medium, hier im Lösungsmittel, in ihre
entsprechenden Kationen und Anionen dissoziieren. Ebenso können die Metallalkoxide und Metalloxide im flüssigen Medium dissoziieren .
Die Nanopartikel bezeichnen Verbünde von einigen wenigen bis einigen tausenden Atomen oder Molekülen. Der Durchmesser der Nanopartikel - zum Beispiel der mittlere Durchmesser d50 - beträgt beispielsweise zwischen wenigstens 1 nm und höchstens 2000 nm, insbesondere höchstens 500 nm.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das
Umhüllungsmaterial ein Ausgangsmaterial zur Bildung eines Sol-Gel-Materials und ein Stabilisatormaterial das zur mechanischen Stabilisierung eingerichtet ist. Das
Ausgangsmaterial umfasst zumindest ein Alkoxy (alkyl) silan und das Stabilisatormaterial ist aus einer Gruppe ausgewählt, welche Salze, Metallalkoxide und/oder Metalloxide als
Materialien aufweist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform besteht das
Umhüllungsmaterial aus einem Ausgangsmaterial zur Bildung eines Sol-Gel-Materials und aus einem Stabilisatormaterial das zur mechanischen Stabilisierung eingerichtet ist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform koordiniert ein
Sauerstoffatom des Sol-Gel-Materials an das Metallion des Stabilisatormaterials. Eine koordinative Bindung ist eine schwache Bindung, bei der das bindende Elektronenpaar, das zu einer Bindung befähigt ist, von dem Sauerstoffatom des Sol- Gel-Materials stammt. Das Stabilisatormaterial wird aus der Gruppe der Salze, Metallalkoxide und/oder Metalloxide
ausgewählt, welche in einem flüssigen Medium als Ionen dissoziiert und/oder hydrolysiert vorliegen. Ein
Sauerstoffatom des Sol-Gel-Materials koordiniert an den positiv geladenen Ionen des Stabilisatormaterials.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das
Stabilisatormaterial aus einer Gruppe ausgewählt, die
Phosphatsalze, Halogenidsalze, Carbonate, Nitrate, Sulfate und Kombinationen daraus aufweist. Bevorzugt kann jedes Salz als Stabilisatormaterial eingesetzt werden, das eine
Wasserlöslichkeit aufweist und das von dem Sauerstoffatom des Sol-Gel-Materials koordiniert werden kann. Als Phosphatsalz wird bevorzugt Ammoniumphosphat, Natriumphosphat,
Natriumhydrogenphosphat, Natriumdihydrogenphosphat verwendet. Als Halogenidsalze werden beispielsweise Natriumchlorid, Kalziumchlorid und Aluminiumchlorid eingesetzt. Bei den
Carbonaten wird bevorzugt Natriumcarbonat verwendet.
Besonders bevorzugt wird wenigstens ein Salz als
Stabilisatormaterial eingebracht. Dabei ist es auch möglich, dass zwei oder mehr unterschiedliche Salze als
Stabilisatormaterial eingebracht werden und/oder das
zumindest eines der Salze in Form von Nanopartikeln vorliegt.
Es können Salze unterschiedlicher Wertigkeit als
Stabilisatormaterial verwendet werden. Die Wertigkeit eines Ions gibt an, wie viele Atome es in einer chemischen Bindung an sich binden kann. Als Stabilisatormaterial dienen
bevorzugt einwertige, zweiwertige, dreiwertige und
vierwertige Ionen. Der Anteil der Salze als Stabilisatormaterial in dem
Umhüllungsmaterial ist abhängig von dem konkret verwendeten Salz. Beispielsweise ist der Anteil von Aluminiumchlorid als Stabilisatormaterial in dem Umhüllungsmaterial zwischen wenigstens 0.1 Gew% und höchstens 50 Gew% . Der Anteil von Natriumchlorid als Stabilisatormaterial in dem
Umhüllungsmaterial ist bevorzugt deutlich geringer und ist in dem Umhüllungsmaterial bei wenigstens 0.01 Gew% und höchstens 5 Gew% . Bei zu hohen Anteilen an Salz im Umhüllungsmaterial kann die Haftbarkeit des Umhüllungsmaterials, an
beispielsweise dem optoelektronischen Bauelement, negativ beeinträchtigt werden.
Der Vorteil durch das Einbringen des Salzes als
Stabilisatormaterial in das Umhüllungsmaterial ist, die
Koordination des Sauerstoffatoms des Sols an die Kationen des Salzes. Dies führt zu einer verlangsamten Polymerisation durch die Koordination des Sols an die Kationen des Salzes, welches zu einer geringeren Beweglichkeit des Sols führt. Somit kann eine schnelle, unkontrollierte Polymerisation zu dem Gel mit Vorteil minimiert werden. Das Einbringen von verschiedenen Salzen, die zu unterschiedlichen
Koordinationseigenschaften führen, führt zu einer
unterschiedlichen Haltbarkeit des Umhüllungsmaterials. Die Haltbarkeit des Umhüllungsmaterials wird bevorzugt durch die Wahl des geeigneten Salzes bestimmt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das
Stabilisatormaterial aus einer Gruppe der Metallalkoxide ausgewählt. Insbesondere kann jedes Metallalkoxid als
Stabilisatormaterial eingesetzt werden, das eine
Wasserlöslichkeit aufweist und das von dem Sauerstoffatom des Sol-Gel-Materials koordiniert werden kann. Die Metallalkoxide sind aus einer Gruppe von einwertigen, zweiwertigen,
dreiwertigen und vierwertigen Materialien ausgewählt.
Metallalkoxide weisen die allgemeine Formel M(OR)n auf. M kann ausgewählt werden aus folgenden Metallen: Alkalimetalle, Erdalkalimetalle, aus den Metallen der Borgruppe und
Nebengruppen. R bezeichnet bevorzugt Alkylsubstituenten wie beispielsweise Methyl-, Ethyl-, Propyl-, Isopropyl-, Butyl-, tert-Butyl-Substituenten . n ist eine natürliche Zahl die abhängig von dem Metall ist und insbesondere zwischen 1 und 4 ist. Bevorzugt sind diese Materialien: Metallethoxide,
Metallmethoxide, Metallisopropoxide und Metallbutoxide .
Beispielsweise kann Titan ( IV) isopropoxid, Titan ( IV) butoxid, Titan ( IV) ethoxid, Aluminiumisopropoxid, Zirconium ( IV) ethoxide und Zirconium ( IV) isopropoxide als Stabilisatormaterial eingesetzt werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das
Umhüllungsmaterial als Stabilisatormaterial Metalloxide auf. Es werden Metalloxide als Stabilisatormaterial eingesetzt, die von dem Sauerstoffatom in dem Sol-Gel-Material
koordiniert werden können. Die Metalloxide sind aus einer Gruppe von einwertigen, zweiwertigen, dreiwertigen und vierwertigen Materialien ausgewählt. Besonders bevorzugt werden die Metalloxide aus einer Gruppe ausgewählt, die
Titandioxid, Zirkonium ( IV) oxid und Aluminiumoxid umfasst.
Das Metalloxid ist bevorzugt als Nanomaterial ausgebildet. Beispielweise kann ein Brechungsindex des Umhüllungsmaterials durch den Zusatz des Nanomaterials als Stabilisatormaterial erhöht werden. Geeignete Nanomaterialien können insbesondere Nanopartikel , Nanostäbchen, Nanodrähte oder Nanoschichten sein. Diese können aus Ti02, ZrÜ2, BaTi03, SrTi03, TCO
(Transparent leitfähige Oxide) , AI2O3, M^Os, Hf02, ZnO, und dergleichen gebildet sein. Metalloxide können zur Stabilisierung des Umhüllungsmaterials beitragen und die Verarbeitungstemperatur senken.
TCO sind transparente leitfähige Oxide. Insbesondere umfassen die TCO dotiertes Ih2q3, Sn02, ZnO oder CdO. Vorzugsweise sind die Oxide dotiert mit Sn, Zn, Al, Ga oder In. Insbesondere sind die Oxide mit wenigstens 1 mol% bis höchstens 40 mol% dotiert wie z.B Ih2q3 dotiert mit 3 mol% Sn oder Ih2q3 dotiert mit 10 mol% Sn . Andere Beispiele für TCO sind ITO
(Indiumzinnoxid), ATO (Antimon dotiertes Zinnoxid), IZO
(Indiumzinkoxid), AZO (Antimon dotiertes Zinkoxid), IMO
(Indium dotiertes Molybdänoxid), IGO (Indium dotiertes
Galliumoxid) und Mischungen davon. Beispiele von
Nanopartikeln, mit denen der Brechungsindex erhöht werden kann sind Ti02, ZrÜ2, BaTi03, ITO (Indiumzinnoxid), TCO,
AI2O3, NÖ205, Ti02, Zr02, BaTi03, SrTi03, AI2O3, Nb20s, Hf02, ZnO, und dergleichen.
Bevorzugt weist der Durchmesser der Nanopartikel zwischen wenigstens 1 nm und höchstens 2 ym - zum Beispiel der
mittlere Durchmesser d50 - zwischen wenigstens 1 nm und höchstens 20 nm auf. Das Einbringen von Nanopartikeln als Stabilisatormaterial in das Sol-Gel-Material hat Auswirkungen auf den Brechungsindex des Umhüllungsmaterials und/oder auf die Stabilisierung und Haltbarkeit des Umhüllungsmaterials. Die Nanopartikel weisen bevorzugt einen größeren
Brechungsindex als das Umhüllungsmaterial ohne Nanopartikel beziehungsweise herkömmliche Silikone auf. Bevorzugt hängt der Anteil an Nanopartikeln, der in das Sol-Gel-Material eingebracht wird, von dem Brechungsindex der Nanopartikel und/oder der Stabilisierungsfähigkeiten der Nanopartikel auf das Umhüllungsmaterial ab. Je größer der Brechungsindex der Nanopartikel ist, desto geringer ist der einzubringende
Anteil der Nanopartikel in das Sol-Gel-Material.
Beispielsweise wird bei Nanopartikeln mit einem kleinen
Brechungsindex ein größerer Anteil an Nanopartikeln in dem Umhüllungsmaterial benötigt und eingebracht, als für
Nanopartikeln mit einem größeren Brechungsindex, wenn ein bestimmter vorgebbarer Brechungsindex eingestellt werden soll. Besonders bevorzugt ist es auch möglich, dass zwei oder mehr unterschiedliche Arten von Nanopartikel als
Stabilisatormaterial eingebracht werden. Zusätzlich kann als Stabilisatormaterial eine Kombination aus Metalloxiden und Salzen, oder Metalloxiden und Metallalkoxiden, Metallalkoxide und Salze oder Metalloxiden und Salzen und Metallalkoxiden eingebracht werden, um die gewünschten Materialeigenschaften besser einstellen zu können.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Umhüllungsmaterials ist eine Oberfläche des Stabilisatormaterials frei von einer Modifizierung. Die Modifizierung beschreibt das Einbringen von beispielsweise organischen Gruppen, welche an der
Oberfläche des Stabilisatormaterials gebunden sind. Als organische Gruppen können Hydroxygruppen verwendet werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das
Umhüllungsmaterial ein Alkoxy (alkyl) silan, als
Ausgangsmaterial, einer Struktureinheit A der folgenden allgemeinen Formel auf:
OR1
R40-SI-0R2
OR3 wobei die Substituenten R1 bis R4 jeweils unabhängig
voneinander aus der Gruppe der Alkyle ausgewählt sind. Die Alkylsubstituenten weisen bevorzugt ein Kohlenwasserstoffrest C1-C4 auf. Besonders bevorzugt sind die Alkylsubstituenten aus der Gruppe ausgewählt:
- Methyl,
- Ethyl,
- Propyl,
- Isopropyl,
- Butyl,
- tert-Butyl.
Beispielsweise weist das Umhüllungsmaterial als
Ausgangsmaterial Tetraethylorthosilikat (TEOS) und/oder
Tetramethylorthosilikat (TMOS) auf. Insbesondere finden
Kombinationen verschiedener Alkoxy (alkyl) silane der
Struktureinheit A Einsatz als Umhüllungsmaterial.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das
Umhüllungsmaterial ein Alkoxy (alkyl) silan, als
Ausgangsmaterial, einer Struktureinheit B der folgenden allgemeinen Formel auf:
X4
X10-Si-OX3
OX2 wobei die Substituenten X1 bis X4 jeweils unabhängig
voneinander aus der Gruppe der Alkyle ausgewählt sind. Die Alkylsubstituenten weisen bevorzugt ein Kohlenwasserstoffrest C1-C4 auf. Besonders bevorzugt sind die Alkylsubstituenten aus der Gruppe ausgewählt:
- Methyl,
- Ethyl,
- Propyl,
- Isopropyl, - Butyl,
- tert-Butyl.
Beispielsweise weist das Umhüllungsmaterial als
Ausgangsmaterial Trimethoxymethylsilan, Triethoxymethylsilan, Trimethoxyethylsilan, Ethyltriethoxysilan,
Ethyltriisopropoxysilan und Kombinationen daraus auf.
Gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels weist das
Umhüllungsmaterial ein Ausgangsmaterial auf, das neben der Struktureinheit A eine weitere von der Struktureinheit A verschiedene Struktureinheit B aufweist. Bevorzugt weist das Umhüllungsmaterial als Ausgangsmaterial
Tetraethylorthosilikat (TEOS) und/oder
Tetramethylorthosilikat (TMOS) in Kombination mit
Trimethoxymethylsilan und/oder Triethoxymethylsilan und/oder weiteren Alkoxy (alkyl) silane auf oder besteht daraus. Der Anteil der Alkoxy (alkyl) silane der Struktureinheit B,
beispielsweise Trimethoxymethylsilane (MTMOS) und
Triethoxymethylsilane (MTEOS) , liegt in dem
Umhüllungsmaterial zwischen wenigstens 0 Gew% und höchstens 100 Gew% . Hierbei liegt der Anteil der Alkoxy (alkyl) silane der Struktureinheit A bevorzugt zwischen höchstens 100 Gew% und wenigstens 0 Gew% .
Die Hinzugabe von dem Alkoxy (alkyl) silane der Struktureinheit B, bevorzugt MTMOS und/oder MTEOS, zu der Sol-Gel-Synthese der Struktureinheit A mit Stabilisatormaterial führt zu einer Stabilisierung der 3D-Struktur des Sol-Gel-Materials .
Insbesondere führt die Hinzugabe des Alkoxy (alkyl) silane der Struktureinheit B, bevorzugt von MTMOS und/oder MTEOS, zu der Sol-Gel-Synthese mit Stabilisatormaterial zu einer geringeren Rissbildung, die bei einer Aushärtung zum Umhüllungsmaterial, zum Beispiel durch einen Glühprozess, hervorgerufen werden kann, im Vergleich zu reinen Silikatmaterialien basierend auf Alkoxy (alkyl) silane der Struktureinheit A, bevorzugt
Tetraethylorthosilikat und/oder Tetramethylorthosilikat .
Alkoxy (alkyl) silane der Struktureinheit B, bevorzugt MTEOS- und/oder MTMOS-basierte Sol-Gel-Materialien, bilden bevorzugt ein Polysiloxan, das eine Alkylgruppe X4, bevorzugt
Methylgruppe, am Siliziumatom aufweist. Die Alkylgruppe an den Siliziumatomen verändert die 3D-Struktur des Gels so, dass bei einer Aushärtung zum Umhüllungsmaterial rissfeste Filme gebildet werden. Das heißt, dass Alkoxy (alkyl) silane der Struktureinheit B, bevorzugt MTEOS- und/oder MTMOS- basiertes Sol-Gel-Material mit Stabilisatormaterial,
bevorzugt zu einem weniger anfälligen Umhüllungsmaterial in Bezug auf Rissbildung führen.
Bevorzugt weist das Alkoxy (alkyl) silan der Struktureinheit B, besonders bevorzugt MTEOS- und/oder MTMOS-basiertes Sol-Gel- Material mit Stabilisatormaterial, eine bessere Haftung des Umhüllungsmaterials, auf zum Beispiel dem optoelektronischen Halbleiterchip, im Vergleich zu einem Sol-Gel-Material basierend auf Alkoxy (alkyl) silane der Struktureinheit A, bevorzugt Tetraethylorthosilikat und/oder
Tetramethylorthosilikat, auf. Ein Grund für die verbesserte Haftung des Umhüllungsmaterials ist die geringere Rissbildung in dem Umhüllungsmaterial.
Es wird weiter ein Konversionsmaterial angegeben. Das
Konversionsmaterial ist zum Beispiel dazu vorgesehen, eine elektromagnetische Primärstrahlung eines ersten
Wellenlängenbereichs in elektromagnetische Sekundärstrahlung eines zweiten Wellenlängenbereichs zu konvertieren. Dazu wird beispielsweise in ein Umhüllungsmaterial, das als Matrixmaterial dient, Leuchtstoffmaterial eingebettet, das für die Konversion elektromagnetischer Strahlung
verantwortlich ist. Das Konversionsmaterial kann insbesondere als eine Konversionsschicht ausgebildet sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das
Konversionsmaterial ein hier beschriebenes Umhüllungsmaterial auf. Das heißt, sämtliche Merkmale, die für das
Umhüllungsmaterial offenbart sind, sind auch für das
Konversionsmaterial offenbart und umgekehrt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das
Konversionsmaterial ein Leuchtstoffmaterial auf. Das
Leuchtstoffmaterial ist bevorzugt als Leuchtstoffpartikel ausgebildet und ist in das Umhüllungsmaterial eingebettet. Besonders bevorzugt weisen die Leuchtstoffpartikel ein keramisches Wirtsgitter, ein organisches Konversionsmaterial oder Quantenpunkte auf. Bevorzugt weisen die
Leuchtstoffpartikel einen Granat-Leuchtstoff auf. Besonders bevorzugt ist der Granat-Leuchtstoff ein YAG-Leuchtstoff mit der chemischen Formel Y3AI5O12 : Ce3+ . Der Granat-Leuchtstoff konvertiert bevorzugt elektromagnetische Primärstrahlung eines ersten Wellenlängenbereichs in elektromagnetische
Sekundärstrahlung eines zweiten Wellenlängenbereichs. Der zweite Wellenlängenbereich liegt bevorzugt im grünen und/oder gelben Wellenlängenbereich.
Es wird weiter ein optoelektronisches Bauelement angegeben. Das optoelektronische Bauelement ist beispielsweise dazu vorgesehen, eine elektromagnetische Primärstrahlung eines ersten Wellenlängenbereichs in einem Halbleiterchip zu erzeugen und anschließend zu emittieren. Die emittierte elektromagnetische Primärstrahlung wird in einem Konversionsmaterial, das ein Leuchtstoffmaterial und ein hier beschriebenes Umhüllungsmaterial aufweist, in
elektromagnetische Sekundärstrahlung konvertiert.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das
optoelektronische Bauelement ein hier beschriebenes
Konversionsmaterial auf. Das heißt, sämtliche Merkmale, die für das Konversionsmaterial offenbart sind, sind auch für das optoelektronische Bauelement offenbart und umgekehrt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das
optoelektronische Bauelement einen Halbleiterchip, der im Betrieb elektromagnetische Primärstrahlung eines ersten
Wellenlängenbereichs emittiert, auf. Bei dem Halbleiterchip handelt es sich zum Beispiel um einen Leuchtdiodenchip oder einen Laserdiodenchip. Der Halbleiterchip kann im Betrieb beispielsweise elektromagnetische Primärstrahlung aus dem Wellenlängenbereich von UV-Strahlung und/oder blauem Licht emittieren .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das
optoelektronische Bauelement ein hier beschriebenes
Konversionsmaterial auf, das zur Emission von
Sekundärstrahlung eines zweiten Wellenlängenbereichs
eingerichtet ist, der von dem ersten Wellenlängenbereich verschieden ist. Das Konversionsmaterial ist bevorzugt dem Halbleiterchip nachgeordnet. Das Konversionsmaterial ist dazu eingerichtet, eine Teilkonversion oder eine Vollkonversion zu erzeugen. Dies ist insbesondere abhängig von dem eingesetzten Leuchtstoffmaterial und der Dicke des Konversionsmaterials. „Nachgeordnet" heißt, dass zumindest 50% Prozent,
insbesondere zumindest 85% der vom Halbleiterchip emittierten Strahlung in das Konversionsmaterial eintreten. Ein höherer Brechungsindex in dem Umhüllungsmaterial des Konversionsmaterials, bevorzugt erzielt durch die Hinzugabe von Metalloxiden, beispielsweise Nanopartikeln als
Stabilisatormaterial in das Umhüllungsmaterial, verbessert mit Vorteil die Lichtauskopplung des optoelektronischen
Halbleiterchips durch das Konversionsmaterial hindurch.
Es wird ferner ein Verfahren zur Herstellung eines
Umhüllungsmaterials angegeben. Vorzugsweise kann mit
dem hier beschriebenen Verfahren das hier beschriebene
Umhüllungsmaterial erzeugt werden. Das heißt, sämtliche
Merkmale, die für das Umhüllungsmaterial offenbart sind, sind auch für das Verfahren zur Herstellung eines
Umhüllungsmaterials offenbart und umgekehrt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens zur Herstellung eines Umhüllungsmaterials wird ein Lösungsmittel bereitgestellt. Das Lösungsmittel weist einen pH-Wert von höchstens 5 auf.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens wird ein Ausgangsmaterial zur Bildung eines Sol-Gel-Materials in das Lösungsmittel eingebracht.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird in das
Umhüllungsmaterial ein Stabilisatormaterial, das zur
mechanischen Stabilisierung eingerichtet ist, in das
Lösungsmittel oder direkt in das Ausgangsmaterial
eingebracht. Das Stabilisatormaterial wird beispielsweise mit dem Ausgangsmaterial in das Lösungsmittel eingebracht. Dabei lagert sich das Stabilisatormaterial in dem Sol-Gel-Material ern Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das
Ausgangsmaterial aus der Gruppe der Alkoxy (alkyl) silane gewählt. Das Stabilisatormaterial ist aus einer Gruppe ausgewählt, die Salze, Metallalkoxide und/oder Metalloxide als Materialien enthält.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens zur Herstellung eines Umhüllungsmaterials wird ein Lösungsmittel mit einem pH-Wert von höchstens 5 bereitgestellt. In einem weiteren Schritt wird das Ausgangsmaterial zur Bildung des Sol-Gel-Materials in das Lösungsmittel eingebracht. Das Stabilisatormaterial, das zur mechanischen Stabilisierung eingerichtet ist, wird in das Lösungsmittel eingebracht. Das Ausgangsmaterial wird aus der Gruppe der Alkoxy (alkyl) silane ausgewählt und das Stabilisatormaterial aus der Gruppe ausgewählt, die Salze, Metallalkoxide und/oder Metalloxide als Materialien enthält.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens ist das Lösungsmittel aus einer Gruppe der protischen Lösungsmittel ausgewählt. Protische Lösungsmittel verfügen über eine funktionelle Gruppe, aus der Wasserstoffatome als Protonen abgespalten werden können und das Ausgangsmaterial dadurch hydrolysiert werden kann. Beispielsweise werden als
Lösungsmittel Wasser und Alkohole und Kombinationen daraus eingesetzt. Bevorzugt umfasst der Alkohol Methanol, Ethanol, Isopropanol und Butanol.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens liegt der pH-Wert des Lösungsmittels bei höchstens 5. Der pH-Wert wird mit Hilfe einer Säure, insbesondere mit Salzsäure, Ameisensäure oder Essigsäure eingestellt. Ein niedriger pH- Wert ist vorteilhaft, da das Ausgangsmaterial dann besonders schnell hydrolysiert werden kann.
Das Ausgangsmaterial wird durch das Lösungsmittel
hydrolysiert. Die hierbei entstehende hydrolysierte
Verbindung reagiert mit einer weiteren hydrolysierten
Verbindung und/oder dem Alkoxy (alkyl) silan zu einem Dimer. Durch anschließende Polykondensationsreaktionen polymerisiert das Dimer zu einem Polymer. Die Polymere, in denen
Lösungsmittel eingebettet ist, werden als Gele bezeichnet.
Der Anteil des Lösungsmittels und der Anteil der Säure im Lösungsmittel haben Auswirkungen auf die Geschwindigkeit der Bildung des Gels. Bei einer kurzen Polymerisationsdauer ist eine Verarbeitbarkeit des Umhüllungsmaterials eingeschränkt. Bevorzugt wird ein geringer Anteil an Säure gewählt, der zu einer kontrollierten Polymerisation führt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens wird das Stabilisatormaterial vor dem Einbringen des Ausgangsmaterials in das Lösungsmittel eingebracht. Dabei hat es sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, das
Stabilisatormaterial vor dem Ausgangsmaterial in das
Lösungsmittel einzubringen. Zu einem späteren Zeitpunkt kann das Ausgangsmaterial bereits zu einem gewissen Teil zu dem Sol-Gel-Material polymerisiert sein und die Koordination von den Sauerstoffatomen des Ausgangsmaterials an das
Stabilisatormaterial ist erschwert. Das heißt, ein geringer Anteil des Stabilisatormaterials kann in die 3D-Struktur des Gels eingebettet werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform erfolgt das Einbringen des Ausgangsmaterials und das Einbringen des Stabilisatormaterials unter einer kontinuierlichen mechanischen Durchmischung. Durch die kontinuierliche
mechanische Durchmischung kann das Stabilisatormaterial mit dem Ausgangsmaterial gut homogenisiert werden und das
Stabilisatormaterial in die 3D-Struktur des Gels, homogen verteilt, eingebettet werden.
Eine Idee des vorliegenden Umhüllungsmaterials ist es, ein Stabilisatormaterial in ein Sol-Gel-Material einzubringen, so dass die Haftung des Umhüllungsmaterials an einen
optoelektronischen Halbleiterchip verbessert werden kann und die Haltbarkeit des Umhüllungsmaterials im Vergleich zu
Vergleichs-Sol-Gel-Materialien ohne Stabilisatormaterialien verbessert werden kann.
Außerdem führt das Einbringen von Metalloxiden, insbesondere von Nanopartikeln als Stabilisatormaterial in das Sol-Gel- Material unter anderem zu einer gezielten Einstellung des Brechungsindex des Umhüllungsmaterials. Ein höherer
Brechungsindex verbessert die Lichtauskopplung des
optoelektronischen Halbleiterchips .
Das Einbringen von zusätzlichen Alkoxy (alkyl) silanen, bevorzugt der Struktureinheit B, in das Sol-Gel-Material verringert die Rissbildung des Umhüllungsmaterials, das zu einer verbesserten Haftung des Umhüllungsmaterials an den optoelektronischen Halbleiterchip führt.
Zusätzlich wird eine unerwünschte Gelbfärbung des
Umhüllungsmaterials infolge von UV-Strahlung durch das
Einbringen von Stabilisatormaterial in das Umhüllungsmaterial verhindert oder zumindest gehemmt. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen des Umhüllungsmaterials, Konversionsmaterials und
optoelektronischen Bauelements und des Verfahrens zur
Herstellung eines Umhüllungsmaterials ergeben sich aus den im Folgenden in Verbindung mit den Figuren beschriebenen
Ausführungsbeispielen .
Es zeigen:
Figuren 1 und 2 jeweils eine chemische Darstellung eines Umhüllungsmaterials gemäß jeweils einem Ausführungsbeispiel,
Figur 3 schematische Schnittdarstellung eines
Konversionsmaterials gemäß einem Ausführungsbeispiel,
Figur 4 schematische Schnittdarstellung eines
optoelektronischen Bauelements gemäß einem
Ausführungsbeispiel ,
Figuren 5A, 5B, 5C, 5D, 5E und 5F schematische
Schnittdarstellungen verschiedener Verfahrensstadien eines Verfahrens zur Herstellung eines Umhüllungsmaterials und Aufbringen eines Konversionsmaterials auf einen
optoelektronischen Halbleiterchip gemäß einem
Ausführungsbeispiel ,
Figur 6 rasterelektronenmikroskopische Darstellung eines Konversionsmaterials gemäß einem Ausführungsbeispiel.
Gleiche, gleichartige oder gleich wirkende Elemente sind in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen. Die Figuren und die Größenverhältnisse der in den Figuren dargestellten Elemente untereinander sind nicht als maßstäblich zu betrachten. Vielmehr können einzelne Elemente, insbesondere Schichtdicken, zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein.
Das Umhüllungsmaterial 1 gemäß dem Ausführungsbeispiel der Figur 1 weist ein Ausgangsmaterial 3 zur Bildung eines Sol- Gel-Materials 13 auf. Das verwendete Ausgangsmaterial 3 ist ein Alkoxy (alkyl) silan, hier Tetraethylorthosilikat 17. Das Ausgangsmaterial 3 wird zunächst durch die Protonen des
Lösungsmittels 11 hydrolysiert. Ethanol wird abgespalten und es entsteht eine hydrolysierte Verbindung 4. Die
hydrolysierte Verbindung 4 reagiert mit dem Ausgangsmaterial 3, Alkoxy (alkyl) silan zu einem Dimer und Ethanol. Ebenso kann ein Dimer gebildet werden, indem zwei hydrolysierte
Verbindungen 4 zur Reaktion gebracht werden. Hierbei wird als zweites Produkt Wasser anstatt Ethanol gebildet. Aus
wenigstens zwei Dimeren können durch eine anorganische
Polykondensationsreaktion Tetramere, Oligomere und Polymere gebildet werden. Außerdem können Tetramere, Oligomere und Polymere aus hydrolysierten Verbindungen 4 und/oder dem
Ausgangsmaterial 3, Alkoxy (alkyl) silan erhalten werden. Es bilden sich Siliziumketten, die über Sauerstoffatome 7 miteinander verbunden sind. Ein Teil des Ausgangsmaterials liegt polymerisiert als Gel in einer 3D-Struktur vor und ein weiterer Teil liegt als Sol vor, das frei in dem
Lösungsmittel vorliegt.
Das in der Figur 2 dargestellte Ausführungsbeispiel weist ein Gel 5, in einer 3D-Struktur, auf. In das Gel 5 ist
Stabilisatormaterial 6 eingebracht. Das Stabilisatormaterial 6 ist zur mechanischen Stabilisierung eingerichtet. Das
Stabilisatormaterial 6 kann als Metalloxid, Metallalkoxid und als Salz ausgebildet sein. Das Stabilisatormaterial 6 weist beispielsweise einwertige Kationen 14, zweiwertige Kationen 15 und/oder dreiwertige Kationen 16 auf. Das
Stabilisatormaterial 6 ist als Kation ausgebildet und wird von dem Sauerstoffatom 7 des Gels 5 koordiniert. Das
Sauerstoffatom 7 ist von jeweils zwei Siliziumatomen 18 gebunden. Das Einbringen des Stabilisatormaterials 6 in das Gel 5 führt dazu, dass die Ringspannung in der 3D-Struktur gelockert wird. Das heißt, weniger Risse werden in dem Gel 5 gebildet .
Das Konversionsmaterial 8 gemäß dem Ausführungsbeispiel der Figur 3 zeigt ein hier beschriebenes Umhüllungsmaterial 1 und ein Leuchtstoffmaterial 9. Das Leuchtstoffmaterial 9 ist in das Umhüllungsmaterial 1 eingebettet. Das Umhüllungsmaterial 1 weist ein Sol-Gel-Material 13, in das Stabilisatormaterial 6 eingebracht ist, auf. Das Leuchtstoffmaterial 9 ist als Leuchtstoffpartikel ausgebildet und weist ein keramisches Wirtsgitter, ein organisches Konversionsmaterial 8 oder Quantenpunkte auf. Das Leuchtstoffmaterial 9 konvertiert elektromagnetische Primärstrahlung eines ersten
Wellenlängenbereichs in elektromagnetische Sekundärstrahlung eines zweiten Wellenlängenbereichs. Beispielsweise weist das Leuchtstoffmaterial 9 einen Granat-Leuchtstoff auf. Der zweite Wellenlängenbereich liegt zum Beispiel im grünen und/oder gelben Wellenlängenbereich. Der Granat-Leuchtstoff ist insbesondere ein YAG-Leuchtstoff mit der chemischen
Formel Y3AI5O12 : Ce3+ .
Das in der Figur 4 dargestellte Ausführungsbeispiel weist ein optoelektronisches Bauelement 10 auf. Das optoelektronische Bauelement 10 umfasst einen Halbleiterchip 2, der im Betrieb elektromagnetische Primärstrahlung eines ersten
Wellenlängenbereichs emittiert. Das Konversionsmaterial 8 konvertiert elektromagnetische Primärstrahlung eines ersten Wellenlängenbereichs in elektromagnetische Sekundärstrahlung eines zweiten Wellenlängenbereichs. Das Konversionsmaterial 8 ist dem optoelektronischen Halbleiterchip 2 nachgeordnet. Beispielsweise ist das Konversionsmaterial 8 in direktem Kontakt an den optoelektronischen Halbleiterchip 2
angeordnet. Das Konversionsmaterial 8 kann abhängig von dem Leuchtstoffmaterial 9 die elektromagnetische Primärstrahlung eines ersten Wellenlängenbereichs vollständig in
elektromagnetische Sekundärstrahlung eines zweiten
Wellenlängenbereichs konvertieren oder Teile der
elektromagnetischen Primärstrahlung eines ersten
Wellenlängenbereichs teilweise in elektromagnetische
Sekundärstrahlung eines zweiten Wellenlängenbereichs
umwandeln .
Bei dem Verfahren zur Herstellung eines Umhüllungsmaterials 1 und anschließendem Aufbringen auf einen optoelektronischen Halbleiterchip 2 gemäß dem Ausführungsbeispiel der Figur 5 wird in einem ersten Schritt ein Lösungsmittel 11, mit einem pH-Wert von höchstens 5, bereitgestellt, Figur 5A. Es wird zunächst das Stabilisatormaterial 6, das zur mechanischen Stabilisierung des Sol-Gel-Materials 13 vorgesehen ist, in das Lösungsmittel 11 eingebracht. Das Stabilisatormaterial 6 wird aus einer Gruppe, die Salze, Metallalkoxide und/oder Metalloxide umfasst, ausgewählt. Anschließend wird ein
Ausgangsmaterial 3, das zur Bildung eines Sol-Gel-Materials 13 dient, in das Lösungsmittel 11 eingebracht. Das
Stabilisatormaterial 6 kann beispielsweise ein Aluminiumsalz oder ein Natriumsalz umfassen. Dieses wird solange in dem Lösungsmittel 11 gerührt, bis es sich vollständig gelöst hat. Anschließend wird ein Ausgangsmaterial 3, beispielsweise TEOS, zu der Lösung hinzugegeben. Das Reaktionsgemisch wird für einige Stunden gerührt, Figur 5B. Nach einer gewissen Zeit unter ständigem Rühren entwickelt sich Wärme und das Reaktionsgemisch wird beispielsweise transparent, das eine Konsequenz der Hydrolyse und Polykondensationsreaktion zu dem Sol-Gel-Material 13 darstellt, Figuren 5B, 5C.
Wie in Figur 5C gezeigt, ist das Sol-Gel-Material 13 mit Stabilisatormaterial 6 in einem Lösungsmittel 11 enthalten. Ein Teil des Sol-Gel-Materials 13 ist zu der 3D-Struktur des Gels 5 polymerisiert und ein weiterer Teil liegt
beispielsweise als hydrolysierte Verbindung 4, Dimer,
Tetramer und/oder Oligomer vor.
Wie in Figur 5D gezeigt, wird das Leuchtstoffmaterial 9 in ein Gefäß gegeben und das zuvor synthetisierte Sol-Gel- Material 13 wird zu dem Leuchtstoffmaterial 9 hinzugegeben. Das Reaktionsgemisch wird kontinuierlich mechanisch
durchmischt, um eine homogene Verteilung des
Leuchtstoffmaterials 9 in dem Sol-Gel-Material 13 zu
gewährleisten .
In einem nächsten Schritt wird ein optoelektronischer
Halbleiterchip 2 bereitgestellt, auf dem das Leuchtstoff-Sol- Gel-Material 13 aufgebracht wird, Figur 5E .
In einem letzten Schritt wird das Lösungsmittel 11 aus dem Sol-Gel-Material 13 entfernt, um ein Umhüllungsmaterial 1 zu erhalten, Figur 5F. Das Entfernen des Lösungsmittels 11 erfolgt durch anfängliches Trocknen an Luft. Anschließend wird der optoelektronische Halbleiterchip 2 mit dem
aufgebrachten Leuchtstoff-Sol-Gel-Material für eine gewisse Zeit in einen 80 °C und 300 °C heißen Ofen gegeben. Das komplette Lösungsmittel 11 wird entfernt und die Bildung eines Konversionsmaterials 8 wird erhalten.
Für das Verfahren zur Herstellung eines Umhüllungsmaterials 1 und das anschließende Aufbringen eines Konversionsmaterials 8 auf einen optoelektronischen Halbleiterchip 2 gemäß dem
Ausführungsbeispiel der Figur 5 werden an im Folgenden zwei konkrete Beispiele angegeben.
Beispiel 1 :
Es wird zunächst beispielsweise Wasser als Lösungsmittel 11 bereitgestellt. Das Lösungsmittel 11 wird auf einen pH-Wert zwischen 1 und 5 eingestellt und ein Aluminiumsalz als
Stabilisatormaterial 6 wird hinzugegeben. Das
Reaktionsgemisch wird solange mechanisch durchmischt, bis das Aluminiumsalz gelöst ist. Zu dem Reaktionsgemisch wird TEOS als Ausgangsmaterial hinzugegeben und das Reaktionsgemisch wird 0.5-3 Stunden stark mechanisch durchmischt. Nach
ungefähr 0.5-2 Stunden kontinuierlichem Durchmischens
entwickelt sich in dem Reaktionsgemisch Wärme und das
Reaktionsgemisch wird transparent, das eine Folge der
beginnenden Hydrolyse und Polykondensationsreaktion zu dem Sol-Gel-Material 13 ist. Anschließend wird die mechanische Durchmischung des Reaktionsgemisches gestoppt. Innerhalb von in etwa einem Tag wird das Sol-Gel-Material 13 weiter
verarbeitet. Ein Sol-Gel-Material 13 mit TEOS als
Ausgangsmaterial 3 und ohne Stabilisatormaterial 6 wird im Vergleich zu einem Sol-Gel-Material 13 mit
Stabilisatormaterial 6 nach einigen Stunden
weiterverarbeitet, da die Polykondensationsreaktion zur
Bildung eines Gels 5 schneller abläuft. In einem weiteren Schritt wird beispielsweise ein YAG- Leuchtstoffmaterial 9 in ein Glasgefäß gegeben. Es wird das Sol-Gel-Material 13 mit Stabilisatormaterial 6 hinzugegeben. Das Reaktionsgemisch wird solange mechanisch durchmischt, bis eine homogene Verteilung des Leuchtstoffmaterials 9 in dem Sol-Gel-Material 13 erreicht ist. Anschließend wird das Sol- Gel-Material 13 mit Stabilisatormaterial 6 und
Leuchtstoffmaterial 9 auf einen mikroskopischen
Glasobjektträger oder auf Halbleiterchip-Wafer-Stücke manuell beschichtet. Nach der Beschichtung des Konversionsmaterials 8 wird der beschichtete optoelektronische Halbleiterchip 2 an Luft getrocknet und anschließend in einen Ofen gegeben. Bei dem ersten Glühprozess wird der beschichtete
optoelektronische Halbleiterchip 2 einige Minuten bei einer Ofentemperatur zwischen 70 °C und 100 °C erhitzt und
anschließend an Luft auf Raumtemperatur abgekühlt. Bei dem zweiten Glühprozess wird der beschichtete optoelektronische Halbleiterchip 2 bei einer Ofentemperatur von 300 °C erhitzt und anschließend an Luft auf Raumtemperatur abgekühlt.
Beispiel 2 :
Zunächst wird Wasser als Lösungsmittel 11 bereitgestellt. Das Lösungsmittel 11 wird auf einen pH-Wert zwischen 1 und 5 eingestellt und ein Natriumsalz als Stabilisatormaterial 6 wird hinzugegeben. Das Reaktionsgemisch wird solange
mechanisch durchmischt, bis das Natriumsalz gelöst ist. Zu dem Reaktionsgemisch wird TEOS als Ausgangsmaterial
hinzugegeben und das Reaktionsgemisch wird 45 Minuten stark mechanisch durchmischt. Anschließend wird die mechanische Durchmischung des Reaktionsgemisches gestoppt. Innerhalb von gewöhnlich zwei Wochen wird das Sol-Gel-Material 13 weiter verarbeitet. Ein Sol-Gel-Material 13 mit TEOS als Ausgangsmaterial 3 und ohne Stabilisatormaterial 6 wird im Vergleich zu einem Sol-Gel-Material 13 mit
Stabilisatormaterial 6 nach einigen Stunden
weiterverarbeitet, da die Polykondensationsreaktion zur
Bildung eines Gels 5 schneller abläuft.
In einem weiteren Schritt wird beispielsweise ein YAG- Leuchtstoffmaterial 9 in ein Glasgefäß gegeben. Es wird das Sol-Gel-Material 13 mit Stabilisatormaterial 6 hinzugegeben. Das Reaktionsgemisch wird solange mechanisch durchmischt, bis eine homogene Verteilung des Leuchtstoffmaterials 9 in dem Sol-Gel-Material 13 eintritt. Anschließend wird das Sol-Gel- Material 13 mit Stabilisatormaterial 6 und
Leuchtstoffmaterial 9 auf einen mikroskopischen
Glasobjektträger oder auf Halbleiterchip-Wafer-Stücke manuell beschichtet. Nach der Beschichtung des Konversionsmaterials 8 wird der beschichtete optoelektronische Halbleiterchip 2 an Luft getrocknet und anschließend in einen Ofen gegeben. Bei dem ersten Glühprozess wird der beschichtete
optoelektronische Halbleiterchip 2 bei einer Ofentemperatur zwischen 70 °C und 100 °C erhitzt und anschließend an Luft auf Raumtemperatur abgekühlt. Bei dem zweiten Glühprozess wird der beschichtete optoelektronische Halbleiterchip 2 bei einer Ofentemperatur von 300 °C erhitzt und anschließend an Luft auf Raumtemperatur abgekühlt.
Das Einbringen von Natrium- oder Aluminiumsalz als
Stabilisatormaterial 6 in das Sol-Gel-Material 13 führt zu einer verlangsamtem Gelierung und somit zu einer verbesserten Haftung des Konversionsmaterials 8 an dem optoelektronischen Halbleiterchip 2. Zusätzlich wird die Rissbildung in dem Konversionsmaterial 8 reduziert im Vergleich zu einem
Konversionsmaterial 8 ohne Stabilisatormaterial 6. Das Produkt aus dem Verfahren zur Herstellung eines
Umhüllungsmaterials 1 und anschließendem Aufbringen auf einen optoelektronischen Halbleiterchip 2, Figur 5F, entspricht zum Beispiel dem Ausführungsbeispiel gemäß der Figur 4. In beiden Beispielen ist ein optoelektronischer Halbleiterchip 2 dargestellt, das nachgeordnet das Konversionsmaterial 8 aufweist. Das Konversionsmaterial 8 umfasst das
Leuchtstoffmaterial 9 und das beschriebene Umhüllungsmaterial 1.
In Figur 6 ist eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme des Konversionsmaterials 8 dargestellt. Das rechte Bild zeigt eine vergrößerte Aufnahme des linken Bildes. Das
Umhüllungsmaterial 1 umfasst hierbei TEOS als
Alkoxy (alkyl) silan der Struktureinheit A mit dem Natriumsalz als Stabilisatormaterial 6. In das Umhüllungsmaterial 1 ist Leuchtstoffmaterial 9 eingebracht. Das Leuchtstoffmaterial 9 ist bevorzugt als Leuchtstoffpartikel ausgebildet und ist in das Umhüllungsmaterial 1 eingebettet.
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 DE 10 2018 125 183.1, deren
Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird. Bezugszeichenliste
1 Umhüllungsmaterial
2 optoelektronischer Halbleiterchip 3 Ausgangsmaterial
4 hydrolysierte Verbindung
5 Gel
6 Stabilisatormaterial
7 Sauerstoffatom
8 Konversionsmaterial
9 Leuchtstoffmaterial
10 optoelektronisches Bauelement
11 Lösungsmittel
13 Sol-Gel-Material
14 einwertige Kationen
15 zweiwertige Kationen
16 dreiwertige Kationen
17 Tetraethylorthosilikat
18 Siliziumatom

Claims

Patentansprüche
1. Umhüllungsmaterial (1) für einen optoelektronischen Halbleiterchip (2) aufweisend
ein Ausgangsmaterial (3) zur Bildung eines Sol-Gel- Materials (13), und
ein Stabilisatormaterial (6), das zur mechanischen
Stabilisierung eingerichtet ist, wobei
das Ausgangsmaterial (3) zumindest ein
Alkoxy (alkyl) silan umfasst, und
das Stabilisatormaterial (6) aus einer Gruppe ausgewählt ist, welche die folgenden Materialien enthält: Salze,
Metallalkoxide, Metalloxide,
bei dem ein Sauerstoffatom (7) des Sol-Gel-Materials (13) an das Stabilisatormaterial (6) koordiniert.
2. Umhüllungsmaterial (1) nach einem der vorherigen
Ansprüche,
bei dem das Stabilisatormaterial (6) aus einer Gruppe
ausgewählt ist, die Phosphatsalze, Halogenidsalze, Carbonate, Nitrate, Sulfate und Kombinationen daraus enthält.
3. Umhüllungsmaterial (1) nach einem der vorherigen
Ansprüche,
bei dem das Stabilisatormaterial (6) ausschließlich aus der Gruppe der Metallalkoxide ausgewählt ist.
4. Umhüllungsmaterial (1) nach einem der vorherigen
Ansprüche,
bei dem das Stabilisatormaterial (6) aus der Gruppe der
Metalloxide ausgewählt ist und als Nanopartikel ausgebildet ist .
5. Umhüllungsmaterial (1) nach einem der vorherigen
Ansprüche,
bei dem eine Oberfläche des Stabilisatormaterials (6) frei von einer Modifizierung ist.
6. Umhüllungsmaterial (1) nach einem der vorherigen
Ansprüche,
bei dem das Alkoxy (alkyl) silan eine Struktureinheit A der folgenden allgemeinen Formel umfasst:
OR1
R40-Si-0R2
OR3 wobei die Substituenten R1 bis R4 jeweils unabhängig
voneinander aus der Gruppe der Alkyle ausgewählt sind.
7. Umhüllungsmaterial (1) nach einem der vorherigen
Ansprüche,
bei dem das Alkoxy (alkyl) silan eine Struktureinheit B der folgenden allgemeinen Formel umfasst:
X4
X10-Si-0X3
OX2 wobei die Substituenten X1 bis X4 jeweils unabhängig
voneinander aus der Gruppe der Alkyle ausgewählt sind.
8. Umhüllungsmaterial (1) nach einem der vorherigen
Ansprüche,
bei dem das Ausgangsmaterial (3) neben der Struktureinheit A eine weitere von der Struktureinheit A verschiedene
Struktureinheit B aufweist.
9. Konversionsmaterial (8) mit
einem Umhüllungsmaterial (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, und
einem Leuchtstoffmaterial (9), wobei
das Leuchtstoffmaterial (9) im Umhüllungsmaterial (1) eingebettet ist.
10. Optoelektronisches Bauelement (10) mit
- einem Halbleiterchip, der im Betrieb elektromagnetische Primärstrahlung eines ersten Wellenlängenbereichs emittiert, und
- einem Konversionsmaterial (8) nach dem vorherigen Anspruch, das zur Emission von Sekundärstrahlung eines zweiten
Wellenlängenbereichs eingerichtet ist, wobei
- das Konversionsmaterial (8) dem Halbleiterchip nachgeordnet ist .
11. Verfahren zur Herstellung eines Umhüllungsmaterials (1) mit den Schritten:
- Bereitstellen eines Lösungsmittels (11) mit einem pH-Wert von höchstens 5,
- Einbringen eines Ausgangsmaterials (3) zur Bildung eines Sol-Gel-Materials (13) in das Lösungsmittel (11),
- Einbringen eines Stabilisatormaterials (6), das zur
mechanischen Stabilisierung eingerichtet ist, in das
Lösungsmittel (11), wobei
- das Ausgangsmaterial (3) aus der Gruppe der
Alkoxy (alkyl) silane ausgewählt ist, und
- das Stabilisatormaterial (6) aus einer Gruppe ausgewählt ist, welche die folgenden Materialien enthält: Salze,
Metallalkoxide, Metalloxide.
12. Verfahren nach dem vorherigen Anspruch,
wobei das Lösungsmittel (11) aus der Gruppe der protischen Lösungsmittel ausgewählt ist.
13. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche,
wobei der pH-Wert des Lösungsmittels (11) bei höchstens 5 liegt .
14. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche,
wobei das Stabilisatormaterial (6) vor dem Einbringen des
Ausgangsmaterials (3) in das Lösungsmittel (11) oder in das Ausgangsmaterial eingebracht wird.
15. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche,
wobei das Einbringen des Ausgangsmaterials (3) und/oder das Einbringen des Stabilisatormaterials (6) unter einer kontinuierlichen mechanischen Durchmischung erfolgt.
16. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche,
bei dem ein Umhüllungsmaterial (1) nach einem der vorherigen Ansprüche hergestellt wird.
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