WO2020229078A1 - Verfahren zur herstellung eines optoelektronischen bauelements und optoelektronisches bauelement - Google Patents

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WO2020229078A1
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sol
structural units
monomeric structural
optoelectronic component
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Vesna Mueller
David O'brien
Gerhard Domann
Peer Loebmann
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Osram Opto Semiconductors Gmbh
Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e. V.
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Definitions

  • optoelectronic component In addition, an optoelectronic component is specified.
  • One problem to be solved is to use a method for producing an optoelectronic component
  • an optoelectronic component with improved properties is to be specified.
  • Structural units can be in liquid or powder form. Furthermore, the monomeric structural units can be introduced in a solvent. According to a further embodiment of the method, nanoparticles are provided in a liquid medium.
  • the nanoparticles preferably have a diameter of at least 5 nanometers to at most 100 nanometers.
  • the liquid medium is preferably a medium in which the nanoparticles are finely distributed.
  • the nanoparticles are available as small solids or in a system made up of clusters.
  • the nanoparticles in the liquid medium are homogeneous
  • the nanoparticles in the liquid medium preferably have no functionalizations. Furthermore, preferably no layers, for example organic layers, are arranged around the nanoparticles in the liquid medium. Only the surface of the nanoparticles in the liquid medium is preferred
  • Nanoparticles are arranged in the liquid medium OH groups and / or O- ions.
  • the monomeric structural units and the nanoparticles are mixed in the liquid medium, so that a starting sol is formed.
  • the nanoparticles are preferably surrounded by the monomeric structural units.
  • the nanoparticles are particularly preferably distributed homogeneously in the starting sol.
  • an acid is introduced into the starting sol in order to adjust a pH.
  • the acid is preferably added after the monomeric structural units have been mixed with the nanoparticles in the liquid medium. If the acid is added earlier, there is a risk of that the nanoparticles fail and no longer at the
  • the monomeric structural units condense at least partially to form a network, the nanoparticles being at least partially covalently bonded to the network, so that a sol-gel material is produced.
  • the network is preferably a three-dimensional network.
  • the partial condensation to form the network begins, for example, when the monomeric structural units and the nanoparticles are combined in the liquid medium. By adding the acid, the condensation of the monomers is preferred
  • Condensation can be a polycondensation.
  • Condensation which is initiated, for example, by UV light, heat and / or an acid, react the monomeric structural units with one another to form chemical bonds.
  • the monomeric structural units are hydrolyzed and can thus form chemical bonds with one another.
  • the condensation of the monomeric structural units leads to the network in which the monomeric structural units are at least partially condensed.
  • the covalent bond between the nanoparticles and the network is a form of chemical bond and as such for the firm holding together of atoms in molecular
  • the sol-gel material is preferably in the form of a gel.
  • the sol-gel material is applied to a semiconductor chip.
  • the sol-gel material is preferably designed to adhere to the semiconductor chip.
  • the sol-gel material is hardened so that a covering material is formed.
  • a covering material is formed.
  • the hardening is preferably carried out by heating.
  • the liquid medium, the solvent, the alcohols and / or water usually evaporate. At the same time it will harden, if not by this time
  • the nanoparticles are preferably suitable for setting the refractive index of the cladding material.
  • the refractive index of the cladding material is particularly preferably increased. An increased refractive index is for better coupling out of electromagnetic radiation from the semiconductor chip
  • monomeric structural units and nanoparticles are in one
  • the monomeric structural units and the nanoparticles are mixed in the liquid medium, so that a starting sol is created.
  • An acid is introduced into the starting sol to adjust the pH.
  • the monomeric structural units at least partially condense to form a network, the nanoparticles being at least partially covalently bonded to the network, so that a sol-gel material is created.
  • the sol-gel material is applied to a semiconductor chip and then cured, so that a covering material is formed.
  • the monomeric structural units comprise a monomeric structural unit A of the following general formula:
  • alkyl substituents are selected from one another from the group formed by the alkyls and phenyls.
  • the alkyl substituents preferably have one
  • Hydrocarbon radical Ci to C 4 Hydrocarbon radical Ci to C 4 .
  • the alkyl substituents are particularly preferably selected from the following group: methyl, ethyl, propyl, isopropyl, butyl, tert-butyl.
  • the alkyl and the phenyl substituents can be substituted or unsubstituted.
  • the monomeric structural unit A has tetraethylorthosilicate (TEOS) and / or tetramethylorthosilicate (TMOS).
  • combinations of different monomeric structural units of the monomeric structural unit A can be used in the optoelectronic component.
  • the monomeric structural units comprise a monomeric structural unit B of the following general formula:
  • alkyls is selected from one another from the group formed by alkyls and phenyls.
  • the alkyl substituents preferably have a hydrocarbon radical Ci to C 4 .
  • alkyl substituents are particularly preferably selected from the following group: methyl, ethyl, propyl,
  • the monomeric structural unit B has trimetoxymethylsilane (MTMOS), trietoxymethylsilane (MTEOS), trimetoxyethylsilane,
  • Structural unit A has the monomeric structural unit B different from the monomeric structural unit A.
  • the monomeric structural units preferably have tetraethylorthosilicate TEOS, as monomeric structural unit A, in combination with
  • Trietoxymethylsilane MTEOS as a monomeric structural unit B, on or consist of it.
  • Structural units B for example trietoxymethylsilane, are between at least 1 mol% and at most 80 mol% on the monomeric structural units.
  • the proportion of the monomeric structural unit A is here in relation to the monomers
  • Structural units preferably between at least 20 mol% and at most 99 mol%.
  • Structural units TEOS to MTEOS are between 20 to 80 and 80 to 20. The less MTEOS in the wrapping material
  • the monomeric structural unit B preferably forms a polysiloxane in the cured
  • the alkyl group X 4 is preferably a methyl group.
  • the alkyl group on the silicon atom preferably changes the network in such a way that upon curing for
  • the coating material is preferably flexible due to the organic radicals of the monomeric structural units.
  • the monomeric structural units have in addition to the monomeric
  • Structural units A and B the monomeric structural units of the general formulas R 4 2-Si (OR) 2 and / or R 4 3 -Si (OR).
  • R here corresponds, for example, to the substituents R 1 , R 2 or R 3 .
  • the substituents R 1 , R 2 , R 3 and R 4 are each selected independently of one another from the group which is shown in the case of the monomeric structural unit A.
  • the coating material has a silicate.
  • Silicates are usually chemical compounds made from silicon and
  • the basic building block of all silicates are usually SiCR tetrahedra. In the SiCR tetrahedron, the silicon atom is preferably surrounded by four oxygen atoms.
  • the coating material preferably has a silicate which has subunits of the monomeric structural units A and B. That is, the silicate preferably has a low proportion of organic residues. To form the silicate of the coating material, the monomeric structural units A condense with the monomeric structural units B.
  • the percentage of the two monomeric structural units in the case of the monomeric structural unit A is preferably between at least 20 mol% and at most 99 mol% and at
  • monomeric structural unit B preferably between at least 1 mol% and at most 80 mol%. According to at least one preferred embodiment of the
  • the coating material has a polysiloxane that is bridged to form a network via Si-O-Si units.
  • the Si-O-Si units are usually through the
  • the polysiloxane is usually one
  • Structural unit -Si (R2O) - has.
  • R is preferably a methyl group. It is particularly preferred that precisely one R is a methyl group.
  • R can be an oxygen atom to which a further structural unit —Si (R2O) - is linked.
  • the individual monomeric structural units are preferably over Si-O-Si units
  • the coating material preferably has a polysiloxane with a small number of organic groups. Only a small number of methyl groups in the is preferred
  • Structural unit A preferably between at least 20 mol% and at most 99 mol% and, in the case of the monomeric structural unit B, preferably between at least 1 mol% and at most 80 mol%.
  • Method include the nanoparticles S1O 2 , Zr02 and / or T1O 2 or consist of S1O 2 , ZrC> 2 and / or T1O 2 and are covalently bonded to the polysiloxane.
  • the wrapping material has a polysiloxane that is bridged to the network via Si-O-Si units and in which the
  • Nanoparticles include S1O 2 , ZrC> 2 and / or T1O 2 or consist of S1O 2 , ZrC> 2 and / or T1O 2 and are covalently bonded to the polysiloxane.
  • the wrapping material is cured. This means that the wrapping material is almost completely condensed and does not have a liquid component, such as solvent or the liquid medium, whereas the sol-gel material is partially condensed with the liquid component.
  • the nanoparticles are preferably set up to the
  • the refractive index of the cladding material is particularly preferably increased by the nanoparticles.
  • the S1O 2 , ZrC> 2 and / or TiCh nanoparticles are bound to the network via Si, Zr, Ti — O units.
  • a reaction of the oxygen atom of the S1O 2 , ZrC> 2 and / or Ti0 2 nanoparticles in the liquid medium preferably takes place here, through the
  • An alcohol and water are preferably split off here.
  • the alcohol split off is preferably methanol and / or ethanol. This is from the
  • the nanoparticles in the liquid medium have between at least 5 mol% and at most 80 mol%.
  • the nanoparticles in the liquid medium have between at least 5 mol% and at most 80 mol%.
  • Nanoparticles in the liquid medium between at least 5 mol% and at most 60 mol%.
  • the liquid medium here is preferably water.
  • the S1O2, ZrC> 2 and / or T1O2 nanoparticles have a particle size of 5 nanometers to 100 nanometers.
  • the S1O2, ZrC> 2 and / or T1O2 nanoparticles in the liquid medium are preferably in the form of free and finely divided individual particles.
  • the S1O2, ZrC> 2 and / or T1O2 nanoparticles in the liquid medium are preferably stabilized by surface charges that are generated via the pH value.
  • the nanoparticles in the liquid are preferably stabilized by surface charges that are generated via the pH value.
  • Medium preferably have a high density and a low tendency to separate.
  • the nanoparticles in the liquid medium have between at least 25 mol% and at most 35 mol%.
  • the acid for adjusting the pH is hydrochloric acid.
  • the pH is adjusted to be less than or equal to 5 with the acid.
  • the pH of the starting sol is preferably set to be less than or equal to 3.
  • the pH of the is particularly preferred
  • the sol-gel material is applied to the semiconductor chip by means of spin coating, spray coating, doctor blading and / or ink jetting
  • the sol-gel material is preferably applied to the surface of the semiconductor chip, to the semiconductor chip in a housing or to a semiconductor chip wafer,
  • the sol-gel material is cured by heating at a temperature between 70 ° C. and 300 ° C. inclusive.
  • the hardening leads to the formation of a
  • the liquid medium, the volatile alcohol formed and water are preferably removed. Likewise, the curing preferably leads to an almost
  • the sol-gel material is furthermore preferably thermally stable up to a temperature of 300.degree.
  • the inorganic phosphor particles are preferably mixed and homogenized with the starting sol.
  • the phosphor particles have a ceramic phosphor
  • the ceramic phosphor particles preferably have a garnet phosphor on.
  • the garnet phosphor is particularly preferably a YAG phosphor with the chemical formula Y 3 Al 5 O 12 : Ce 3+ .
  • the ceramic phosphor particles can also have a nitride phosphor.
  • the nitride phosphor is particularly preferably a SCASN phosphor with the
  • the phosphor particles can be any chemical formula (Ba, Sr, Ca) AIS1N 3 : Eu. Additionally or alternatively, the phosphor particles can be any chemical formula (Ba, Sr, Ca) AIS1N 3 : Eu. Additionally or alternatively, the phosphor particles can be any chemical formula (Ba, Sr, Ca) AIS1N 3 : Eu. Additionally or alternatively, the phosphor particles can be
  • oxynitride-based phosphor For example, a combination of several different phosphor particles is possible.
  • the method described here is suitable for providing an optoelectronic component that is used in the
  • the optoelectronic component comprises a semiconductor chip, which in operation
  • Semiconductor chip the electromagnetic radiation of a first wavelength range from a radiation exit surface.
  • the semiconductor chip preferably transmits during operation
  • the semiconductor chip is, for example, a light-emitting diode chip or a laser diode chip.
  • the semiconductor chip preferably has an epitaxially grown one Semiconductor layer sequence with an active zone which is suitable for generating electromagnetic radiation.
  • the active zone has, for example, a pn junction, a double heterostructure, a single quantum well or particularly preferably a multiple quantum well structure.
  • Optoelectronic component on a cladding material that is produced using the method described here.
  • this includes
  • the optoelectronic component a cladding material which has nanoparticles and a polysiloxane which is bridged to the network via Si-O-Si units.
  • the nanoparticles preferably comprise SiC> 2 , ZrC> 2 and / or T1O 2 and are covalently bonded to the polysiloxane.
  • the nanoparticles are
  • this includes
  • Emitted wavelength range and a cladding material comprising nanoparticles and a polysiloxane, which is bridged to the network via Si-O-Si units.
  • Nanoparticles preferably comprise S1O 2 , ZrC> 2 and / or T1O 2 and are covalently bound to the polysiloxane.
  • the wrapping material is provided to the
  • the wrapping material preferably resists detachment, for example by means of mechanical means
  • Action of force at least within certain limits means, for example, that the layer does not come off during further processing of the semiconductor chip coated with the encapsulation material.
  • the wrapping material is preferred
  • Semiconductor chips penetrate more than 95% through the encapsulation material.
  • the covering material can serve as a matrix material for phosphor particles.
  • the wrapping material preferably completely envelops the phosphor particles. That is to say, the phosphor particles are preferably embedded in the matrix material.
  • Matrix material is preferably set up to the
  • the optoelectronic component the encapsulation material, which was produced using a method described here on. According to a preferred embodiment of the
  • Optoelectronic components are embedded in the encapsulation material fluorescent particles, which the electromagnetic radiation of the first wavelength range in
  • Radiation of the second wavelength range is preferably different from the first wavelength range.
  • the phosphor particles which are embedded in the wrapping material give the wrapping material preferably wavelength-converting properties.
  • the cladding material with the phosphor particles converts the electromagnetic radiation of the semiconductor chip
  • the optoelectronic component preferably emits mixed light which is composed of electromagnetic radiation of the first wavelength range and
  • the optoelectronic component emits white light.
  • the cladding material has a thickness of at least 1 micrometer.
  • the cladding material has a thickness of at least 5 micrometers. According to a preferred embodiment of the
  • the optoelectronic component is the encapsulating material as a layer on the radiation exit surface of the
  • the layer preferably has a thickness of at least 1 micrometer, preferably of at least 5 micrometers.
  • the layer is preferably formed with few pores and few cracks.
  • One idea of the present optoelectronic component is to use a cladding material comprising nanoparticles linked to a network of monomeric structural units,
  • Encapsulation material can thus be used in high-power LEDs, in which conventional polysiloxanes and conventional silicates generally show decomposition. Likewise, a thicker layer of the wrapping material can be achieved with a low tendency to crack
  • Nanoparticles have the refractive index of the cladding material
  • Figures 1, 2, 3, 4 and 5 each schematic representations of different process stages of a process for
  • FIG. 6 shows a schematic representation of a stage of a method for producing an optoelectronic
  • FIG. 7 shows a schematic sectional illustration of a sol-gel material according to an exemplary embodiment
  • Figure 8 is a schematic sectional view of a
  • monomers are used in a first process step Structural units 1 and nanoparticles 10 provided in a liquid medium 2.
  • the liquid medium 2 here is water.
  • Nanoparticles 10 in the liquid medium 2 are mixed for about five minutes, so that a starting sol 3 is formed (FIG. 1).
  • the nanoparticles 10 in the liquid medium 2 have between 5 mol% and 80 mol% inclusive.
  • the monomeric structural units 1 comprise a combination of at least one monomeric structural unit A and at least one monomeric structural unit B.
  • the proportion of the monomeric structural units B in the monomeric structural units is between at least 1 mol% and at most 80 mol%.
  • the proportion of the monomeric structural unit A in the monomeric structural units is preferably between at least 20 mol% and at most 99 mol%.
  • an acid 4 is added to the starting sol 3 to set a pH value (FIG. 2). This is done after the monomers
  • Structural units 1 and the nanoparticles 10 are mixed in the liquid medium 2, since otherwise the nanoparticles 10 would fail and no longer with the monomeric ones
  • Structural units 1 could react. Hydrochloric acid, for example, is used to adjust the pH.
  • the pH of the starting sol 3 is adjusted to a pH of less than or equal to 5.
  • the monomeric structural units 1 are at least partially condensed to form a network 9 (FIG. 3). Furthermore, the nanoparticles 10 are at least partially covalently bound to the network 9, see above that a sol-gel material 5 is created.
  • the network 9 is preferably a three-dimensional network.
  • FIG. 4 initially shows the monomeric structural units 1, in the present case TEOS as the monomeric structural unit A and MTEOS as the monomeric structural unit B, and the nanoparticles 10 in the liquid medium 2.
  • the nanoparticles 10 in the liquid medium 2 include SiCü nanoparticles 10. Alternatively, ZrC> 2 and / or T1O2 can be used as the material for the nanoparticles 10.
  • the nanoparticles 10 have cations, for example sodium, potassium cations or protons.
  • the acid 4 is added to the mixture of the nanoparticles 10 in the liquid medium 2 and the monomeric structural units 1.
  • the monomeric structural units 1 partially condense to form the network 9, the nanoparticles 10 being at least partially covalently bonded 11 to the network 9, so that a sol-gel material 5 is produced.
  • the network 9 is formed in that the monomeric structural units 1 are partially hydrolyzed by the addition of the acid 4 and then condense to the network 9 via a condensation reaction. That is, the monomers
  • Structural units 1, TEOS and MTEOS are linked to one another via Si-O-Si units 13. Likewise, through the
  • the network 9 with the Si0 2 nanoparticle 10 forms the covalent bond 11.
  • the Si0 2 nanoparticles 10 are bound to the network 9 via Si-O units 14. For ZrC> 2 nanoparticles, Zr-O units would be attached to network 9
  • the sol-gel material 5 is applied to a semiconductor chip 6, for example by means of spin coating, spray
  • the sol-gel material 5 cured to the wrapping material 7 ( Figure 5).
  • the liquid medium 2 as well as alcohols and water, which are formed during the condensation, are removed. Almost complete condensation of the monomeric structural units 1 is also achieved through the curing.
  • the cured sol-gel material 5 is referred to as the covering material 7.
  • the method steps in FIGS. 1 and 2 are carried out first. Following the process step in FIG. 2, in which the acid 4 is introduced into the starting sol 3, inorganic phosphor particles 8 are introduced into the starting sol 3 in the present case.
  • the inorganic phosphor particles 8 are introduced into the starting sol 3 in the present case.
  • Phosphor particles 8 have a ceramic phosphor and / or a quantum dot phosphor.
  • the inorganic phosphor particles 8 preferably have a garnet phosphor and / or a nitride phosphor and / or an oxynitride-based phosphor or consist of one of these materials.
  • the resulting sol-gel material 5 is applied with phosphor particles 8 to the semiconductor chip 6 and the procedure is as already described with reference to FIGS. 3 to 5.
  • Figure 7 shows a schematic representation of a
  • the monomeric structural units 1 condense to form the network 9 and are bound to the SiCh nanoparticles 10. That is, the network 9 has grown on the surface of the Si0 2 nanoparticles. Compact particles with a diameter of at least 50 nanometers to a maximum of 100 nanometers are formed.
  • the exemplary embodiment illustrated in FIG. 8 has an optoelectronic component 100 which has a
  • Semiconductor chip 6 which emits electromagnetic radiation of a first wavelength range during operation, and a
  • Wrapping material 7 comprises.
  • the wrapping material 7 is produced by a method described here.
  • the wrapping material 7 is as a layer on a
  • 7 phosphor particles 8 can be embedded in the envelope material, which the
  • electromagnetic radiation of the first wavelength range into electromagnetic radiation of a second

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Abstract

Es wird ein Verfahren beschrieben zur Herstellung eines optoelektronischen Bauelements (100) mit den Schritten - Bereitstellen von monomeren Struktureinheiten (1), - Bereitstellen von Nanopartikeln in einem flüssigen Medium (2), - Vermischen der monomeren Struktureinheiten (1) und der Nanopartikel in dem flüssigen Medium (2), so dass ein Ausgangssol (3) entsteht, - Einbringen einer Säure (4) in das Ausgangssol (3) zur Einstellung eines pH-Wertes, - zumindest teilweises Kondensieren der monomeren Struktureinheiten (1) zu einem Netzwerk (9), wobei die Nanopartikel (10) zumindest teilweise kovalent (11) an das Netzwerk (9) gebunden werden, so dass ein Sol-Gel-Material (5) entsteht, - Aufbringen des Sol-Gel-Mater!als (5) auf einen Halbleiterchip (6), - Aushärten des Sol-Gel-Mater!als (5), so dass ein Umhüllungsmaterial (7) gebildet wird. Darüber hinaus wird ein optoelektronisches Bauelement (100) angegeben.

Description

Beschreibung
VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG EINES OPTOELEKTRONISCHEN
BAUELEMENTS UND OPTOELEKTRONISCHES BAUELEMENT
Es wird ein Verfahren zur Herstellung eines
optoelektronischen Bauelements angegeben. Darüber hinaus wird ein optoelektronisches Bauelement angegeben.
Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Bauelements mit
verbesserten Eigenschaften anzugeben. Zusätzlich soll ein optoelektronisches Bauelement mit verbesserten Eigenschaften angegeben werden.
Diese Aufgaben werden durch ein Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Bauelements mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch ein optoelektronisches Bauelement mit den Merkmalen des Patentanspruchs 14 gelöst.
Vorteilhafte Ausführungsformen des Verfahrens zur Herstellung eines optoelektronischen Bauelements und des
optoelektronischen Bauelements sind Gegenstand der jeweiligen abhängigen Ansprüche.
Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens zur Herstellung eines optoelektronischen Bauelements werden monomere
Struktureinheiten bereitgestellt. Die monomeren
Struktureinheiten können flüssig oder pulverförmig vorliegen. Weiterhin können die monomeren Struktureinheiten in einem Lösungsmittel eingebracht werden. Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens werden Nanopartikel in einem flüssigen Medium bereitgestellt. Die Nanopartikel weisen bevorzugt einen Durchmesser von zumindest 5 Nanometer bis höchstens 100 Nanometer auf. Das flüssige Medium ist bevorzugt ein Medium, in dem die Nanopartikel fein verteilt vorliegen. Beispielsweise liegen die Nanopartikel als kleine Festkörper oder in einem System aus Clustern vor.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens weisen die Nanopartikel in dem flüssigen Medium eine homogene
Zusammensetzung auf. Insbesondere weisen die Nanopartikel in dem flüssigen Medium bevorzugt keine Funktionalisierungen auf. Weiterhin sind um die Nanopartikel in dem flüssigen Medium bevorzugt keine Schichten, beispielsweise organische Schichten, angeordnet. Bevorzugt ist lediglich die Oberfläche der Nanopartikel in dem flüssigen Medium von einer
Passivierungsschicht umgeben. Das heißt, dass um die
Nanopartikel in dem flüssigen Medium OH-Gruppen und/oder O-- Ionen angeordnet sind.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens werden die monomeren Struktureinheiten und die Nanopartikel in dem flüssigen Medium vermischt, so dass ein Ausgangssol entsteht. Bei dem Ausgangssol sind die Nanopartikel bevorzugt von den monomeren Struktureinheiten umgeben. Besonders bevorzugt sind die Nanopartikel in dem Ausgangssol homogen verteilt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird eine Säure in das Ausgangssol zur Einstellung eines pH-Wertes eingebracht. Die Säure wird bevorzugt nach dem Vermischen der monomeren Struktureinheiten mit den Nanopartikeln in dem flüssigen Medium hinzugegeben. Wenn die Säure zu einem früheren Zeitpunkt hinzugegeben wird, besteht die Gefahr, dass die Nanopartikel ausfallen und nicht mehr an der
folgenden Reaktion teilnehmen können. Die Säure weist
beispielsweise Ameisensäure, Salzsäure, Schwefelsäure
und/oder Essigsäure auf oder besteht aus einem dieser
Materialien .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens
kondensieren die monomeren Struktureinheiten zumindest teilweise zu einem Netzwerk, wobei die Nanopartikel zumindest teilweise kovalent an das Netzwerk gebunden werden, so dass ein Sol-Gel-Material entsteht. Bevorzugt handelt es sich bei dem Netzwerk um ein dreidimensionales Netzwerk. Die teilweise Kondensation zu dem Netzwerk beginnt beispielsweise, wenn die monomeren Struktureinheiten und die Nanopartikel in dem flüssigen Medium zusammengegeben werden. Durch die Hinzugabe der Säure wird bevorzugt die Kondensation der monomeren
Struktureinheiten zu dem Netzwerk beschleunigt. Die
Kondensation kann eine Polykondensation sein.
Bevorzugt sind die monomeren Struktureinheiten in dem
Ausgangssol nicht durch chemische Bindungen, beispielsweise kovalente Bindungen, miteinander verbunden. Bei der
Kondensation, die beispielsweise durch UV-Licht, Wärme und/oder eine Säure initiiert wird, reagieren die monomeren Struktureinheiten miteinander zur Bildung von chemischen Bindungen. Beispielsweise werden durch Hinzugabe der Säure die monomeren Struktureinheiten hydrolysiert und können somit untereinander chemische Bindungen ausbilden. Die Kondensation der monomeren Struktureinheiten führt zu dem Netzwerk, bei dem die monomeren Struktureinheiten zumindest teilweise kondensiert vorliegen. Die kovalente Bindung zwischen den Nanopartikeln und dem Netzwerk ist eine Form der chemischen Bindung und als solche für den festen Zusammenhalt von Atomen in molekular
aufgebauten chemischen Verbindungen verantwortlich. Das Sol- Gel-Material liegt bevorzugt gelartig vor.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird das Sol-Gel-Material auf einen Halbleiterchip aufgebracht.
Bevorzugt ist das Sol-Gel-Material dazu eingerichtet, auf dem Halbleiterchip zu haften.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens wird das Sol-Gel-Material ausgehärtet, so dass ein Umhüllungsmaterial gebildet wird. Beim Aushärten wird bevorzugt das flüssige Medium der Nanopartikel und/oder ein Lösungsmittel, welches optional zu dem Ausgangssol hinzugegeben wird, und/oder
Alkohole und/oder Wasser entfernt. Bevorzugt wird beim
Aushärten das flüssige Medium der Nanopartikel und/oder das Lösungsmittel, welches optional zu dem Ausgangssol
hinzugegeben wird, und/oder die Alkohole und/oder Wasser zu großen Teilen, beispielsweise jeweils zu 95 %, entfernt.
Das Aushärten erfolgt bevorzugt durch Erwärmung. Dabei dampfen das flüssige Medium, das Lösungsmittel, die Alkohole und/oder Wasser in der Regel ab. Gleichzeitig wird bei dem Aushärten, falls bis zu diesem Zeitpunkt noch nicht
geschehen, das Sol-Gel-Material nahezu vollständig
kondensiert, beispielsweise bis zu 99 %. Durch das Abdampfen und durch die nahezu vollständige Kondensation des Sol-Gel- Materials entsteht bei dem Aushärten ein hartes Material, welches das Umhüllungsmaterial bildet. Bevorzugt sind die Nanopartikel dazu geeignet, die Brechzahl des Umhüllungsmaterials einzustellen. Besonders bevorzugt wird die Brechzahl des Umhüllungsmaterials erhöht. Eine erhöhte Brechzahl ist für eine bessere Auskopplung einer elektromagnetischen Strahlung aus dem Halbleiterchip
vorteilhaft .
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens werden monomere Struktureinheiten und Nanopartikel in einem
flüssigen Medium bereitgestellt. In einem weiteren Schritt werden die monomeren Struktureinheiten und die Nanopartikel in dem flüssigen Medium vermischt, so dass ein Ausgangssol entsteht. In das Ausgangssol wird eine Säure zur Einstellung eines pH-Wertes eingebracht. Die monomeren Struktureinheiten kondensieren zumindest teilweise zu einem Netzwerk, wobei die Nanopartikel zumindest teilweise kovalent an das Netzwerk gebunden werden, so dass ein Sol-Gel-Material entsteht. Das Sol-Gel-Material wird auf einen Halbleiterchip aufgebracht und anschließend ausgehärtet, so dass ein Umhüllungsmaterial gebildet wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens zur Herstellung eines optoelektronischen Bauelements umfassen die monomeren Struktureinheiten eine monomere Struktureinheit A der folgenden allgemeinen Formel:
OR1
R40-Si-0R2
OR3
wobei die Substituenten R1 bis R4 jeweils unabhängig
voneinander aus der Gruppe ausgewählt sind, die durch die Alkyle und Phenyle gebildet ist. Die Alkylsubstituenten weisen bevorzugt einen
Kohlenwasserstoffrest Ci bis C4 auf. Besonders bevorzugt sind die Alkylsubstituenten aus der folgenden Gruppe ausgewählt: Methyl, Ethyl, Propyl, Isopropyl, Butyl, tert-Butyl .
Weiterhin können die Alkyl- und die Phenylsubstituenten substituiert oder unsubstituiert vorliegen. Beispielsweise weist die monomere Struktureinheit A Tetraethylorthosilicat (TEOS) und/oder Tetramethylorthosilicat (TMOS) auf.
Insbesondere können Kombinationen verschiedener monomerer Struktureinheiten der monomeren Struktureinheit A Einsatz in dem optoelektronischen Bauelement finden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens umfassen die monomeren Struktureinheiten eine monomere Struktureinheit B der folgenden allgemeinen Formel:
X4
X10-Si-OX3
OX2
wobei die Substituenten X1 bis X4 jeweils unabhängig
voneinander aus der Gruppe ausgewählt ist, die durch Alkyle und Phenyle gebildet ist. Die Alkylsubstituenten weisen bevorzugt einen Kohlenwasserstoffrest Ci bis C4 auf.
Besonders bevorzugt sind die Alkylsubstituenten aus der folgenden Gruppe ausgewählt: Methyl, Ethyl, Propyl,
Isopropyl, Butyl, tert-Butyl. Beispielsweise weist die monomere Struktureinheit B Trimetoxymethylsilan (MTMOS), Trietoxymethylsilan (MTEOS), Trimetoxyethylsilan,
Ethyltrietoxysilan, Ethyltriisopropoxysilan und Kombinationen daraus auf. Weiterhin können die Alkylsubstituenten und die Phenylsubstituenten substituiert oder unsubstituiert
vorliegen . Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens weisen die monomeren Struktureinheiten neben der monomeren
Struktureinheit A die von der monomeren Struktureinheit A verschiedene monomere Struktureinheit B auf. Bevorzugt weisen die monomeren Struktureinheiten Tetraethylorthosilikat TEOS, als monomere Struktureinheit A, in Kombination mit
Trietoxymethylsilan MTEOS, als monomere Struktureinheit B, auf oder bestehen daraus. Der Anteil der monomeren
Struktureinheiten B, beispielsweise Trietoxymethylsilan, liegt an den monomeren Struktureinheiten zwischen zumindest 1 Mol% und höchstens 80 Mol%. Hierbei liegt der Anteil der monomeren Struktureinheit A an den monomeren
Struktureinheiten bevorzugt zwischen mindestens 20 Mol% und höchstens 99 Mol%.
Bevorzugt kann das molare Verhältnis der monomeren
Struktureinheiten TEOS zu MTEOS zwischen 20 zu 80 und 80 zu 20 liegen. Je weniger MTEOS in dem Umhüllungsmaterial
enthalten ist, desto geringer ist die Wahrscheinlichkeit für eine Vergilbung des optoelektronischen Bauelements im
Betrieb .
Die Hinzugabe der monomeren Struktureinheit B, bevorzugt MTEOS, zu der monomeren Struktureinheit A in Kombination mit den Nanopartikeln führt zu einer Stabilisierung des
Umhüllungsmaterials, aufgrund der organischen Reste der monomeren Struktureinheit B. Die monomere Struktureinheit B bildet bevorzugt ein Polysiloxan in dem ausgehärteten
Umhüllungsmaterial, das eine Alkylgruppe X4 am Siliziumatom aufweist. Die Alkylgruppe X4 ist bevorzugt eine Methylgruppe. Die Alkylgruppe an dem Siliziumatom verändert das Netzwerk bevorzugt so, dass bei einer Aushärtung zum
Umhüllungsmaterial rissfeste Filme gebildet werden. Das heißt, dass die monomere Struktureinheit B in Kombination mit der monomeren Struktureinheit A und den Nanopartikeln
bevorzugt zu einem weniger anfälligen Umhüllungsmaterial in Bezug auf Rissbildung führt. Weiterhin wird bevorzugt das Umhüllungsmaterial durch die organischen Reste der monomeren Struktureinheiten flexibel.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens weisen die monomeren Struktureinheiten neben den monomeren
Struktureinheiten A und B die monomeren Struktureinheiten der allgemeinen Formeln R42-Si(OR) 2 und/oder R4 3-Si (OR) auf. R entspricht hierbei beispielsweise den Substituenten R1, R2 oder R3. Die Substituenten R1, R2, R3 und R4 sind jeweils unabhängig voneinander aus der Gruppe ausgewählt, die bei der monomeren Struktureinheit A dargestellt ist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens weist das Umhüllungsmaterial ein Silikat auf. Silikate sind in der Regel chemische Verbindungen aus Silizium- und
Sauerstoffatomen . Der Grundbaustein aller Silikate sind in der Regel SiCR-Tetraeder . Bei dem SiCR-Tetraeder ist das Siliziumatom bevorzugt von vier Sauerstoffatomen umgeben. Vorliegend weist das Umhüllungsmaterial bevorzugt ein Silikat auf, das Untereinheiten der monomeren Struktureinheiten A und B aufweist. Das heißt, das Silikat weist bevorzugt einen geringen Anteil an organischen Resten auf. Zur Bildung des Silikats des Umhüllungsmaterials kondensieren die monomeren Struktureinheiten A mit den monomeren Struktureinheiten B.
Der prozentuale Anteil der beiden monomeren Struktureinheiten liegt bei der monomeren Struktureinheit A bevorzugt zwischen mindestens 20 Mol% und höchstens 99 Mol% und bei der
monomeren Struktureinheit B bevorzugt zwischen zumindest 1 Mol% und höchstens 80 Mol%. Gemäß zumindest einer bevorzugten Ausführungsform des
Verfahrens weist das Umhüllungsmaterial ein Polysiloxan auf, das über Si-O-Si-Einheiten zu einem Netzwerk verbrückt ist. Die Si-O-Si-Einheiten werden in der Regel durch die
Kondensation der monomeren Struktureinheiten A und B
gebildet. Das Polysiloxan ist in der Regel eine
makromolekulare siliziumorganische Verbindung, die die
Struktureinheit -Si (R2O) - aufweist. Bevorzugt ist hierbei R eine Methylgruppe. Besonders bevorzugt ist hierbei genau ein R eine Methylgruppe. Weiterhin kann R ein Sauerstoffatom sein, mit dem wiederum eine weitere Struktureinheit -Si (R2O) - verknüpft ist.
Bei dem Umhüllungsmaterial sind die einzelnen monomeren Struktureinheiten bevorzugt über Si-O-Si-Einheiten
miteinander verknüpft und bilden bevorzugt Stränge von aneinandergereihten Si-O-Si-Einheiten aus. Eine Vielzahl von Strängen aneinandergereihter Si-O-Si-Einheiten ist bevorzugt über Sauerstoffatome miteinander verknüpft. Insbesondere weist das Umhüllungsmaterial bevorzugt ein Polysiloxan mit einer geringen Anzahl an organischen Gruppen auf. Bevorzugt ist nur eine geringe Anzahl an Methylgruppen in dem
Umhüllungsmaterial vorhanden. Der prozentuale Anteil der beiden monomeren Struktureinheiten, die zur Bildung des Umhüllungsmaterials führen, liegt bei der monomeren
Struktureinheit A bevorzugt zwischen mindestens 20 Mol% und höchstens 99 Mol% und bei der monomeren Struktureinheit B bevorzugt zwischen mindestens 1 Mol% und höchstens 80 Mol%.
Gemäß zumindest einer bevorzugten Ausführungsform des
Verfahrens umfassen die Nanopartikel S1O2, Zr02 und/oder T1O2 oder bestehen aus S1O2, ZrC>2 und/oder T1O2 und sind kovalent an das Polysiloxan gebunden.
Gemäß zumindest einer Aus führungs form des Verfahrens weist das Umhüllungsmaterial ein Polysiloxan auf, das über Si-O-Si- Einheiten zu dem Netzwerk verbrückt ist und bei dem die
Nanopartikel S1O2, ZrC>2 und/oder T1O2 umfassen oder aus S1O2, ZrC>2 und/oder T1O2 bestehen und kovalent an das Polysiloxan gebunden sind. Das Umhüllungsmaterial liegt im Vergleich zu dem Sol-Gel-Material ausgehärtet vor. Das heißt, dass das Umhüllungsmaterial nahezu vollständig kondensiert ist und keinen flüssigen Anteil, wie beispielsweise Lösungsmittel oder das flüssige Medium, aufweist, wohingegen das Sol-Gel- Material teilweise kondensiert vorliegt mit dem flüssigen Anteil .
Die Nanopartikel sind bevorzugt dazu eingerichtet, die
Brechzahl des Umhüllungsmaterials einzustellen. Besonders bevorzugt wird die Brechzahl des Umhüllungsmaterials durch die Nanopartikel erhöht.
Gemäß zumindest einer Aus führungs form des Verfahrens ist das S1O2, ZrC>2 und/oder TiCh-Nanopartikel über Si, Zr, Ti-O- Einheiten an das Netzwerk gebunden. Hierbei findet bevorzugt eine Reaktion des Sauerstoffatoms des S1O2, ZrC>2 und/oder Ti02-Nanopartikels in dem flüssigen Medium, durch die
Hinzugabe der Säure, mit dem Siliziumatom des Netzwerks und/oder an die monomeren Struktureinheiten statt, um die kovalente Bindung zu bilden. Hierbei werden bevorzugt ein Alkohol und Wasser abgespalten. Der abgespaltene Alkohol ist bevorzugt Methanol und/oder Ethanol. Dies ist von den
monomeren Struktureinheiten abhängig. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens weisen die Nanopartikel in dem flüssigen Medium zwischen zumindest 5 Mol% und höchstens 80 Mol% auf. Bevorzugt weisen die
Nanopartikel in dem flüssigen Medium zwischen zumindest 5 Mol% und höchstens 60 Mol% auf. Das flüssige Medium ist hierbei bevorzugt Wasser. Die S1O2, ZrC>2 und/oder T1O2- Nanopartikel weisen eine Teilchengröße von 5 Nanometer bis 100 Nanometer auf. Die S1O2, ZrC>2 und/oder T1O2 -Nanopartikel, in dem flüssigen Medium, liegen bevorzugt in Form freier und fein verteilter Einzelpartikel vor. Die S1O2, ZrC>2 und/oder T1O2 -Nanopartikel, in dem flüssigen Medium, werden bevorzugt durch Oberflächenladungen, die über den pH-Wert erzeugt werden, stabilisiert. Die Nanopartikel in dem flüssigen
Medium weisen bevorzugt eine hohe Dichte und eine geringe Entmischungstendenz auf.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens weisen die Nanopartikel in dem flüssigen Medium zwischen zumindest 25 Mol% und höchstens 35 Mol% auf.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens ist die Säure zur Einstellung des pH-Wertes Salzsäure.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird der pH-Wert mit der Säure zu kleiner gleich 5 eingestellt. Bevorzugt wird der pH-Wert des Ausgangssols zu kleiner gleich 3 eingestellt. Besonders bevorzugt wird der pH-Wert des
Ausgangssols zu kleiner gleich 2 eingestellt. Ein niedriger pH-Wert ist vorteilhaft, da die monomeren Struktureinheiten dann besonders schnell hydrolysiert werden können. Die schnelle Hydrolyse führt zu einer schnellen Kondensation zu dem Netzwerk. Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens wird das Sol-Gel-Material mittels Spin Coating, Spray Coating, Doktor Blading und/oder Ink Jetting auf den Halbleiterchip
aufgebracht. Das Sol-Gel-Material wird bevorzugt auf die Oberfläche des Halbleiterchips, auf den Halbleiterchip in einem Gehäuse oder auf einen Halbleiterchip-Wafer,
aufgebracht .
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird das Sol-Gel-Material durch Erwärmen bei einer Temperatur zwischen einschließlich 70 °C und einschließlich 300 °C ausgehärtet. Das Aushärten führt zu der Bildung eines
Umhüllungsmaterials. Dabei werden das flüssige Medium, der gebildete, flüchtige Alkohol und Wasser bevorzugt entfernt. Ebenso führt das Aushärten bevorzugt zu einer nahezu
vollständigen Kondensation. Die nahezu vollständige
Kondensation, die zusätzlich zu der Aushärtung führt, wird durch hohe Temperaturen beschleunigt. Mehr als 95 Mol% der monomeren Struktureinheiten sind zu dem Netzwerk kondensiert. Das Sol-Gel-Material ist weiterhin bevorzugt bis zu einer Temperatur von 300 °C thermisch stabil.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens werden nach dem Einstellen des pH-Werts anorganische
Leuchtstoffpartikel in das Ausgangssol eingebracht. Die anorganischen Leuchtstoffpartikel werden mit dem Ausgangssol bevorzugt vermischt und homogenisiert.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens weisen die Leuchtstoffpartikel einen keramischen Leuchtstoff
und/oder einen Quantenpunkt-Leuchtstoff auf. Bevorzugt weisen die keramischen Leuchtstoffpartikel einen Granat-Leuchtstoff auf. Besonders bevorzugt ist der Granat-Leuchtstoff ein YAG- Leuchtstoff mit der chemischen Formel Y3AI5O12 : Ce3+ .
Weiterhin können die keramischen Leuchtstoffpartikel auch einen Nitrid-Leuchtstoff aufweisen. Besonders bevorzugt ist der Nitrid-Leuchtstoff ein SCASN-Leuchtstoff mit der
chemischen Formel (Ba, Sr, Ca) AIS1N3 : Eu . Zusätzlich oder alternativ können die Leuchtstoffpartikel einen
oxynitridbasierten Leuchtstoff aufweisen. Beispielsweise ist die Kombination mehrerer verschiedener Leuchtstoffpartikel möglich .
Das hier beschriebene Verfahren ist dazu geeignet, ein optoelektronisches Bauelement bereitzustellen, das im
Folgenden näher erläutert wird. Merkmale und
Ausführungsformen, die lediglich in Verbindung mit dem
Verfahren ausgeführt sind, können auch bei dem
optoelektronischen Bauelement ausgebildet sein und umgekehrt.
Gemäß einer Aus führungs form umfasst das optoelektronische Bauelement einen Halbleiterchip, der im Betrieb
elektromagnetische Strahlung eines ersten
Wellenlängenbereichs emittiert. Bevorzugt emittiert der
Halbleiterchip die elektromagnetische Strahlung eines ersten Wellenlängenbereichs von einer Strahlungsaustrittsfläche. Bevorzugt sendet der Halbleiterchip im Betrieb
elektromagnetische Strahlung aus dem ultravioletten
Spektralbereich und/oder aus dem sichtbaren Spektralbereich, besonders bevorzugt aus dem blauen Spektralbereich, aus.
Bei dem Halbleiterchip handelt es sich zum Beispiel um einen Leuchtdiodenchip oder einen Laserdiodenchip. Bevorzugt weist der Halbleiterchip eine epitaktisch gewachsene Halbleiterschichtenfolge mit einer aktiven Zone auf, die dazu geeignet ist, elektromagnetische Strahlung zu erzeugen.
Hierzu weist die aktive Zone beispielsweise einen pn- Übergang, eine Doppelheterostruktur, eine Einfachquantentopf oder besonders bevorzugt eine MehrfachquantentopfStruktur auf .
Gemäß einer weiteren Aus führungs form weist das
optoelektronische Bauelement ein Umhüllungsmaterial auf, das mit dem hier beschriebenen Verfahren hergestellt ist.
Gemäß einer weiteren Aus führungs form umfasst das
optoelektronische Bauelement ein Umhüllungsmaterial, das Nanopartikel und ein Polysiloxan aufweist, welches über Si-O- Si-Einheiten zu dem Netzwerk verbrückt ist. Die Nanopartikel umfassen bevorzugt SiC>2, ZrC>2 und/oder T1O2 und sind kovalent an das Polysiloxan gebunden. Die Nanopartikel sind
insbesondere über eine Nanopartikel-O-Si-Einheit an das Polysiloxan gebunden.
Gemäß einer bevorzugten Aus führungs form umfasst das
optoelektronische Bauelement einen Halbleiterchip, der im Betrieb elektromagnetische Strahlung eines ersten
Wellenlängenbereichs emittiert, und ein Umhüllungsmaterial, das Nanopartikel und ein Polysiloxan aufweist, welches über Si-O-Si-Einheiten zu dem Netzwerk verbrückt ist. Die
Nanopartikel umfassen bevorzugt S1O2, ZrC>2 und/oder T1O2 und sind kovalent an das Polysiloxan gebunden.
Gemäß einer bevorzugten Aus führungs form weist das
optoelektronische Bauelement einen Halbleiterchip auf, der im Betrieb elektromagnetische Strahlung eines ersten Wellenlängenbereichs emittiert, und ein Umhüllungsmaterial, das mit einem hier beschriebenen Verfahren aufgebracht ist.
Das Umhüllungsmaterial ist dazu vorgesehen, den
Halbleiterchip zu umhüllen und ihn somit vor äußeren
mechanischen und/oder chemischen Einflüssen zu schützen.
Weiterhin widersetzt sich das Umhüllungsmaterial bevorzugt einem Ablösen, beispielsweise mittels mechanischer
Krafteinwirkung zumindest in bestimmten Grenzen. Das heißt beispielsweise, dass bei der Weiterverarbeitung des mit dem Umhüllungsmaterial beschichteten Halbleiterchips die Schicht sich nicht löst. Das Umhüllungsmaterial ist bevorzugt
durchlässig für elektromagnetische Strahlung des
Halbleiterchips, insbesondere sichtbares Licht, ausgebildet. Das heißt, dass die elektromagnetische Strahlung des
Halbleiterchips zu mehr als 95 % durch das Umhüllungsmaterial durchtritt .
Alternativ oder zusätzlich kann das Umhüllungsmaterial als Matrixmaterial für Leuchtstoffpartikel dienen. Hierbei umhüllt das Umhüllungsmaterial die Leuchtstoffpartikel bevorzugt vollständig. Das heißt, die Leuchtstoffpartikel sind bevorzugt in das Matrixmaterial eingebettet. Das
Matrixmaterial ist bevorzugt dazu eingerichtet, die
elektromagnetische Strahlung des ersten Wellenlängenbereichs des Halbleiterchips zu absorbieren und in elektromagnetische Strahlung eines zweiten Wellenlängenbereichs zu konvertieren.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist das
optoelektronische Bauelement das Umhüllungsmaterial, das mit einem hier beschriebenen Verfahren hergestellt wurde, auf. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des
optoelektronischen Bauelements sind in das Umhüllungsmaterial Leuchtstoffpartikel eingebettet, die die elektromagnetische Strahlung des ersten Wellenlängenbereichs in
elektromagnetische Strahlung eines zweiten
Wellenlängenbereichs umwandeln. Die elektromagnetische
Strahlung des zweiten Wellenlängenbereichs ist von dem ersten Wellenlängenbereich bevorzugt verschieden.
Die Leuchtstoffpartikel, die in das Umhüllungsmaterial eingebettet sind, verleihen dem Umhüllungsmaterial bevorzugt wellenlängenkonvertierende Eigenschaften. Beispielsweise wandelt das Umhüllungsmaterial mit den Leuchtstoffpartikeln die elektromagnetische Strahlung des Halbleiterchips
lediglich teilweise in elektromagnetische Strahlung des zweiten Wellenlängenbereichs um, während ein weiterer Teil der elektromagnetischen Strahlung des Halbleiterchips von dem Umhüllungsmaterial mit den Leuchtstoffpartikeln transmittiert wird. Das optoelektronische Bauelement sendet in diesem Fall bevorzugt Mischlicht aus, das sich aus elektromagnetischer Strahlung des ersten Wellenlängenbereichs und
elektromagnetischer Strahlung des zweiten
Wellenlängenbereichs zusammensetzt. Beispielsweise sendet das optoelektronische Bauelement weißes Licht aus.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Bauelements weist das Umhüllungsmaterial eine Dicke von mindestens 1 Mikrometer auf.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Bauelements weist das Umhüllungsmaterial eine Dicke von mindestens 5 Mikrometer auf. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des
optoelektronischen Bauelements ist das Umhüllungsmaterial als eine Schicht auf der Strahlungsaustrittsfläche des
Halbleiterchips ausgebildet. Die Schicht weist bevorzugt eine Dicke von mindestens 1 Mikrometer, bevorzugt von mindestens 5 Mikrometer, auf. Die Schicht ist bevorzugt porenarm und rissarm ausgebildet.
Eine Idee des vorliegenden optoelektronischen Bauelements ist es, ein Umhüllungsmaterial, aufweisend Nanopartikel verknüpft mit einem Netzwerk von monomeren Struktureinheiten,
bereitzustellen. Hierbei weist das optoelektronische
Bauelement aufgrund der verminderten Menge an organischen Materialien, im Vergleich zu herkömmlichen Polysiloxanen und herkömmlichen Silikaten, eine verbesserte Haftung an den Halbleiterchip auf. Zusätzlich wird mit dem hier
beschriebenen optoelektronischen Bauelement eine thermische Stabilität bei Temperaturen von kleiner 300 °C und eine
Lichtstabilität gegenüber blauem Licht erzielt. Das
Umhüllungsmaterial kann somit in Hochleistungs-LEDs Anwendung finden, bei denen herkömmliche Polysiloxane und herkömmliche Silikate in der Regel eine Zersetzung zeigen. Ebenso kann eine dickere Schicht des Umhüllungsmaterials mit einer geringen Neigung zur Rissbildung erzielt werden, die
zusätzlich porenarm ist. Weiterhin kann durch die
Nanopartikel die Brechzahl des Umhüllungsmaterials mit
Vorteil eingestellt werden.
Zusätzlich wird eine unerwünschte Gelbfärbung des
Umhüllungsmaterials infolge von UV-Strahlung durch das
Einbringen von Nanopartikeln in das Umhüllungsmaterial verhindert oder zumindest gehemmt. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen des optoelektronischen Bauelements und des Verfahrens ergeben sich aus dem im Folgenden in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Ausführungsbeispiel .
Es zeigen:
Figuren 1, 2, 3, 4 und 5 jeweils schematische Darstellungen verschiedener Verfahrensstadien eines Verfahrens zur
Herstellung eines optoelektronischen Bauelements gemäß einem Ausführungsbeispiel,
Figur 6 eine schematische Darstellung eines Stadiums eines Verfahrens zur Herstellung eines optoelektronischen
Bauelements gemäß einem Ausführungsbeispiel,
Figur 7 eine schematische Schnittdarstellung eines Sol-Gel- Materials gemäß einem Ausführungsbeispiel, und
Figur 8 eine schematische Schnittdarstellung eines
optoelektronischen Bauelements 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.
Bei dem Verfahren gemäß dem Ausführungsbeispiel der Figuren 1 bis 5 werden in einem ersten Verfahrensschritt monomere Struktureinheiten 1 und Nanopartikel 10 in einem flüssigen Medium 2 bereitgestellt. Das flüssige Medium 2 ist hierbei Wasser. Die monomeren Struktureinheiten 1 und die
Nanopartikel 10 in dem flüssigen Medium 2 werden für circa fünf Minuten vermischt, so dass ein Ausgangssol 3 entsteht ( Figur 1 ) .
Die Nanopartikel 10 in dem flüssigen Medium 2 weisen zwischen einschließlich 5 Mol% und einschließlich 80 Mol% auf. Die monomeren Struktureinheiten 1 umfassen eine Kombination aus zumindest einer monomeren Struktureinheit A und zumindest einer monomeren Struktureinheit B. Der Anteil der monomeren Struktureinheiten B liegt an den monomeren Struktureinheiten zwischen mindestens 1 Mol% und höchstens 80 Mol%. Hierbei liegt der Anteil der monomeren Struktureinheit A an den monomeren Struktureinheiten bevorzugt zwischen mindestens 20 Mol% und höchstens 99 Mol%.
In einem nächsten Verfahrensschritt wird eine Säure 4 in das Ausgangssol 3 zur Einstellung eines pH-Wertes hinzugegeben (Figur 2) . Dies erfolgt, nachdem die monomeren
Struktureinheiten 1 und die Nanopartikel 10 in dem flüssigen Medium 2 vermischt sind, da sonst die Nanopartikel 10 ausfallen würden und nicht mehr mit den monomeren
Struktureinheiten 1 reagieren könnten. Zur Einstellung des pH-Wertes wird beispielsweise Salzsäure verwendet. Der pH- Wert des Ausgangssols 3 wird auf einen pH-Wert von kleiner gleich 5 eingestellt.
Bei einem weiteren Verfahrensschritt werden die monomeren Struktureinheiten 1 zumindest teilweise zu einem Netzwerk 9 kondensiert (Figur 3) . Weiterhin werden die Nanopartikel 10 zumindest teilweise kovalent an das Netzwerk 9 gebunden, so dass ein Sol-Gel-Material 5 entsteht. Bevorzugt handelt es sich bei dem Netzwerk 9 um ein dreidimensionales Netzwerk.
Die Figur 4 zeigt zunächst die monomeren Struktureinheiten 1, vorliegend TEOS als monomere Struktureinheit A und MTEOS als monomere Struktureinheit B, und die Nanopartikel 10 in dem flüssigen Medium 2. Die Nanopartikel 10 in dem flüssigen Medium 2 umfassen SiCü-Nanopartikel 10. Alternativ kann auch ZrC>2 und/oder T1O2 als Material für die Nanopartikel 10 verwendet werden. Die Nanopartikel 10 weisen Kationen auf, beispielsweise Natrium-, Kaliumkationen oder Protonen auf. Zu der Mischung aus den Nanopartikeln 10 in dem flüssigen Medium 2 und den monomeren Struktureinheiten 1 wird die Säure 4 hinzugegeben. Die monomeren Struktureinheiten 1 kondensieren teilweise zu dem Netzwerk 9, wobei die Nanopartikel 10 zumindest teilweise kovalent 11 an das Netzwerk 9 gebunden werden, so dass ein Sol-Gel-Material 5 entsteht. Das Netzwerk 9 wird gebildet, indem die monomeren Struktureinheiten 1 durch die Zugabe der Säure 4 teilweise hydrolysiert und anschließend über eine Kondensationsreaktion zu dem Netzwerk 9 kondensieren. Das heißt, dass die monomeren
Struktureinheiten 1, TEOS und MTEOS, über Si-O-Si-Einheiten 13 miteinander verknüpft werden. Ebenso kann durch die
Verbrückung von weiteren Si-O-Si-Einheiten 13 ein größeres Netzwerk 9 gebildet werden.
Weiterhin bildet das Netzwerk 9 mit dem Si02-Nanopartikel 10 die kovalente Bindung 11 aus. Das heißt, die Sauerstoffatome von dem Nanopartikel 10 im flüssigen Medium 2 reagieren nukleophil mit dem Siliziumatom des Netzwerks 9 und/oder mit den monomeren Struktureinheiten 1, die bis dato noch nicht kondensiert sind. Hierbei entstehen Alkohole, wie Methanol und/oder Ethanol und Wasser. Die Si02-Nanopartikel 10 sind über Si-O-Einheiten 14 an das Netzwerk 9 gebunden. Bei ZrC>2- Nanopartikeln wären Zr-O-Einheiten an das Netzwerk 9
gebunden .
Das Sol-Gel-Material 5 wird auf einen Halbleiterchip 6 aufgebracht, beispielsweise mittels Spin Coating, Spray
Coating, Doktor Blading und/oder Ink Jetting. Anschließend wird unter Erwärmen bei einer Temperatur zwischen
einschließlich 70 °C und einschließlich 300 °C das Sol-Gel- Material 5 zu dem Umhüllungsmaterial 7 ausgehärtet (Figur 5) . Bei dem Aushärten wird das flüssige Medium 2 sowie Alkohole und Wasser, die bei der Kondensation entstehen, entfernt. Ebenso wird durch das Aushärten eine nahezu vollständige Kondensation der monomeren Struktureinheiten 1 erzielt. Das ausgehärtete Sol-Gel-Material 5 wird als Umhüllungsmaterial 7 bezeichnet .
Bei dem Verfahren gemäß dem Ausführungsbeispiel der Figur 6 werden zunächst die Verfahrensschritte der Figuren 1 und 2 durchgeführt. Im Anschluss an den Verfahrensschritt der Figur 2, bei dem die Säure 4 in das Ausgangssol 3 eingebracht wird, werden vorliegend anorganische Leuchtstoffpartikel 8 in das Ausgangssol 3 eingebracht. Die anorganischen
Leuchtstoffpartikel 8 weisen einen keramischen Leuchtstoff und/oder einen Quantenpunkt-Leuchtstoff auf. Bevorzugt weisen die anorganischen Leuchtstoffpartikel 8 einen Granat- Leuchtstoff und/oder einen Nitrid-Leuchtstoff und/oder einen oxynitridbasierten Leuchtstoff auf oder bestehen aus einem dieser Materialien. Nachdem die anorganischen
Leuchtstoffpartikel 8 in dem Ausgangssol 3 möglichst homogen verteilt sind, wird das entstandene Sol-Gel-Material 5 mit Leuchtstoffpartikeln 8 auf den Halbleiterchip 6 aufgebracht und es wird verfahren, wie anhand der Figuren 3 bis 5 bereits beschrieben .
Figur 7 zeigt eine schematische Darstellung eines
Teilchenwachstums mit SiCh-Nanopartikeln 10 und monomeren Struktureinheiten 1. Das Verhältnis von monomeren
Struktureinheiten A zu monomeren Struktureinheiten B ist hierbei A:B=1:4. Das heißt, es werden 20 Mol% TEOS-Einheiten und 80 Mol% MTEOS-Einheiten als monomere Struktureinheiten 1 verwendet. Die monomeren Struktureinheiten 1 kondensieren zu dem Netzwerk 9 und sind dabei an die SiCh-Nanopartikel 10 gebunden. Das heißt, das Netzwerk 9 ist auf der Oberfläche der Si02-Nanopartikel aufgewachsen . Es entstehen kompakte Teilchen mit einem Durchmesser von mindestens 50 Nanometer bis höchstens 100 Nanometer.
Das in der Figur 8 dargestellte Ausführungsbeispiel weist ein optoelektronisches Bauelement 100 auf, das einen
Halbleiterchip 6, der im Betrieb elektromagnetische Strahlung eines ersten Wellenlängenbereichs emittiert, und ein
Umhüllungsmaterial 7 umfasst. Das Umhüllungsmaterial 7 wird nach einem hier beschriebenen Verfahren hergestellt. Hierbei ist das Umhüllungsmaterial 7 als eine Schicht auf einer
Strahlungsaustrittsfläche 15 des Halbleiterchips 6
ausgebildet. Weiterhin können in dem Umhüllungsmaterial 7 Leuchtstoffpartikel 8 eingebettet sein, die die
elektromagnetische Strahlung des ersten Wellenlängenbereichs in elektromagnetische Strahlung eines zweiten
Wellenlängenbereichs umwandeln.
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 2019 112 955.9, deren
Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.
Bezugszeichenliste
100 optoelektronisches Bauelement
1 monomere Struktureinheit
2 flüssiges Medium
3 Ausgangssol
4 Säure
5 Sol-Gel Material
6 Halbleiterchip
7 Umhüllungsmaterial
8 Leuchtstoffpartikel
9 Netzwerk
10 Nanopartikel
11 kovalente Bindung
12 Polysiloxan
13 Si-O-Si-Einheit
14 Si-O-Einheit
15 Strahlungsaustrittsfläche
16 herkömmliche Umhüllung

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen
Bauelements (100) mit den Schritten
- Bereitstellen von monomeren Struktureinheiten (1),
- Bereitstellen von Nanopartikeln (10) in einem flüssigen Medium ( 2 ) ,
- Vermischen der monomeren Struktureinheiten (1) und der Nanopartikel (10) in dem flüssigen Medium (2), so dass ein Ausgangssol (3) entsteht,
- Einbringen einer Säure (4) in das Ausgangssol (3) zur Einstellung eines pH-Wertes,
- zumindest teilweises Kondensieren der monomeren
Struktureinheiten (1) zu einem Netzwerk (9), wobei die Nanopartikel (10) zumindest teilweise kovalent (11) an das Netzwerk (9) gebunden werden, so dass ein Sol-Gel-Material (5) entsteht,
- Aufbringen des Sol-Gel-Materials (5) auf einen
Halbleiterchip (6),
- Aushärten des Sol-Gel-Materials (5), so dass ein
Umhüllungsmaterial (7) gebildet wird.
2. Verfahren nach dem vorherigen Anspruch,
wobei die monomeren Struktureinheiten (1) eine monomere Struktureinheit A der folgenden allgemeinen Formel umfasst:
OR1
R40-Si-0R2
OR3 wobei die Substituenten R1 bis R4 jeweils unabhängig voneinander aus der Gruppe ausgewählt sind, die durch die Alkyle und Phenyle gebildet ist.
3. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die monomeren Struktureinheiten (1) eine monomere
Struktureinheit B der folgenden allgemeinen Formel umfasst:
X4
X10-Si-OX3
OX2 wobei die Substituenten X1 bis X4 jeweils unabhängig
voneinander aus der Gruppe ausgewählt ist, die durch die Alkyle und Phenyle gebildet ist.
4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche,
bei dem das Umhüllungsmaterial (7) ein Silikat aufweist.
5. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem
- das Umhüllungsmaterial (7) ein Polysiloxan (12) aufweist, das über Si-O-Si-Einheiten (13) zu dem Netzwerk (9) verbrückt ist, und
- die Nanopartikel (10) S1O2, ZrC>2 und/oder T1O2 umfassen und kovalent (11) an das Polysiloxan (12) gebunden sind.
6. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche,
bei dem das S1O2, ZrC>2 und/oder TiCh-Nanopartikel (10) über Si/Zr/Ti-O-Einheiten (14) an das Netzwerk (9) gebunden ist.
7. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche,
wobei die Nanopartikel (10) in dem flüssigen Medium (2) zwischen einschließlich 5 Mol% und einschließlich 80 Mol% aufweisen .
8. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche,
wobei die Säure (4) zur Einstellung des pH-Wertes Salzsäure ist .
9. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der pH-Wert mit der Säure (4) zu kleiner gleich 5 eingestellt wird.
10. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche,
wobei das Sol-Gel-Material (5) mittels Spin Coating, Spray Coating, Doctor Blading und/oder Ink Jetting auf den
Halbleiterchip (6) aufgebracht wird.
11. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche,
wobei das Sol-Gel-Material (5) durch Erwärmen bei einer
Temperatur zwischen einschließlich 70 °C und einschließlich 300 °C ausgehärtet wird.
12. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche,
wobei nach dem Einstellen des pH-Werts anorganische
Leuchtstoffpartikel (8) in das Ausgangssol (3) eingebracht werden .
13. Verfahren nach dem vorherigen Anspruch,
bei dem die anorganischen Leuchtstoffpartikel (8) einen keramischen Leuchtstoff und/oder einen Quantenpunkt- Leuchtstoff aufweisen.
14. Optoelektronisches Bauelement (100) mit:
- einem Halbleiterchip (6), der im Betrieb elektromagnetische Strahlung eines ersten Wellenlängenbereichs emittiert, und
- einem Umhüllungsmaterial (7), das mit einem Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche aufgebracht ist.
15. Optoelektronisches Bauelement (100) nach dem vorherigen Anspruch, bei dem in das Umhüllungsmaterial (7) Leuchtstoffpartikel (8) eingebettet sind, die die elektromagnetische Strahlung des ersten Wellenlängenbereichs in elektromagnetische Strahlung eines zweiten Wellenlängenbereichs umwandeln.
16. Optoelektronisches Bauelement (100) nach einem der vorherigen Ansprüche,
bei dem das Umhüllungsmaterial (7) als eine Schicht auf einer Strahlungsaustrittsfläche (15) des Halbleiterchips (6) ausgebildet ist.
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