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WO2018158194A1 - Optoelektronisches bauelement und verfahren zur herstellung eines optoelektronischen bauelements - Google Patents

Optoelektronisches bauelement und verfahren zur herstellung eines optoelektronischen bauelements Download PDF

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Publication number
WO2018158194A1
WO2018158194A1 PCT/EP2018/054684 EP2018054684W WO2018158194A1 WO 2018158194 A1 WO2018158194 A1 WO 2018158194A1 EP 2018054684 W EP2018054684 W EP 2018054684W WO 2018158194 A1 WO2018158194 A1 WO 2018158194A1
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WO
WIPO (PCT)
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layer
substrate
conversion
optoelectronic component
conversion element
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2018/054684
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English (en)
French (fr)
Inventor
Jörg FRISCHEISEN
Angela Eberhardt
Florian Peskoller
Thomas HUCKENBECK
Michael Schmidberger
Jürgen Bauer
Dominik Eisert
Albert Schneider
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Ams Osram International GmbH
Original Assignee
Osram Opto Semiconductors GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by Osram Opto Semiconductors GmbH filed Critical Osram Opto Semiconductors GmbH
Priority to US16/479,198 priority Critical patent/US11430922B2/en
Publication of WO2018158194A1 publication Critical patent/WO2018158194A1/de
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Ceased legal-status Critical Current

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Definitions

  • the invention relates to an optoelectronic component. Furthermore, the invention relates to a method for producing an optoelectronic component.
  • Optoelectronic components such as
  • LEDs Light emitting diodes
  • Components have a high luminance.
  • Semiconductor layer sequence also has a conversion element.
  • the conversion element is set up by the
  • Semiconductor layer sequence emitted light in particular light having a wavelength from the blue spectral range, in light of another, usually longer, wavelength too
  • the conversion is done by at least one conversion material. For many applications, as much light as possible should escape from a defined emission surface, so that the light can be transmitted via optics to, for example, a
  • the device should have the highest possible luminance
  • conversion elements are often formed in the form of platelets and applied to the semiconductor layer sequence by means of an adhesive.
  • the adhesive is often formed in the form of platelets and applied to the semiconductor layer sequence by means of an adhesive.
  • Conversion element exits but the light exit surface is defined by the surface of the conversion element.
  • Optoelectronic device with a color temperature of, for example, 3200 K it is necessary to combine a combination of a green and red emitting conversion material in the conversion element. So far, however, it has not been possible to provide conversion elements having a high color rendering index (CRI) for warm white light at high current densities of the optoelectronic device, for example, more than 1 A / mm ⁇ , and allow stable operation at the temperatures occurring.
  • CRI color rendering index
  • conversion elements are known, for example, have a matrix material of polymer, such as silicone, in which the conversion material or the conversion materials are embedded.
  • these conversion elements have a low thermal stability.
  • conversion ceramics are known. However, these conversion ceramics are limited in that often only one type of conversion material can be used. A combination of different types of
  • Conversion materials in the conversion ceramics is usually not possible because the conversion ceramics are usually produced at temperatures of more than 1400 ° C and various types of conversion materials, such as garnet and nitride based phosphors, with each other
  • the conventional conversion elements described here have the disadvantage that they must be formed relatively thick in order to ensure a certain mechanical stability for example, subsequent handling. In general, these have a layer thickness of at least 100 ym. This has the disadvantage that the heat dissipation in
  • a further object of the invention is to provide a method for producing an optoelectronic component which produces an optoelectronic component with improved properties.
  • Optoelectronic component on a semiconductor layer sequence has an active region.
  • the active area emits during operation of the
  • optoelectronic component has a conversion element.
  • a conversion element and the
  • the conversion element is cantilevered and arranged in the beam path of the semiconductor layer sequence.
  • the conversion element has a substrate and a first layer.
  • the first layer is arranged in particular following the substrate.
  • the first layer is the
  • Subordinate semiconductor layer sequence wherein the substrate is arranged downstream of the first layer.
  • the substrate may be arranged downstream of the semiconductor layer sequence, wherein the first layer is arranged downstream of the substrate.
  • Layer comprises at least one conversion material embedded in a matrix material.
  • the matrix material is at least one condensed sol-gel material.
  • the sol-gel material is selected from the group consisting of: water glass, metal phosphate, aluminum phosphate, monoaluminum phosphate, modified monoaluminum phosphate, alkoxytetramethoxysilane, tetraethylorthosilicate, methyltrimethoxysilane,
  • the sol-gel material has a proportion of between 10 and 70% by volume in the first layer. In particular, this volume fraction, on the total volume of sol-gel material and conversion material and
  • Substrate is free of the sol-gel material and the
  • the substrate is for mechanical
  • the first layer set up. According to at least one embodiment, the
  • the semiconductor layer sequence is preferably based on a III-V compound semiconductor material.
  • the semiconductor material may preferably be based on a nitride compound semiconductor material.
  • "Based on a nitride compound semiconductor material” in the present context means that the semiconductor layer sequence or at least one layer thereof comprises a III-nitride compound semiconductor material, preferably In x AlyGa ] __ x _yN, where 0 ⁇ x ⁇ 1, 0 ⁇ y ⁇ 1 and x + y ⁇ 1.
  • This material does not necessarily have to have a mathematically exact composition according to the above formula. Rather, it may have one or more dopants as well as additional components that the characteristic physical properties of the
  • the above formula contains only the essential constituents of the crystal lattice (In, Al, Ga, N), even if these may be partially replaced by small amounts of other substances.
  • the optoelectronic component includes an active region with at least one pn junction and / or with one or more quantum well structures. During operation of the optoelectronic component, electromagnetic radiation is generated in the active region.
  • a wavelength or a wavelength maximum of the radiation is preferably in the ultraviolet and / or visible range, in particular at wavelengths between 380 nm and 680 nm inclusive, for example between 430 nm and 470 nm inclusive.
  • the optoelectronic component is a light-emitting diode, LED for short, or a laser diode.
  • the device is adapted to emit radiation having a dominant wavelength from the UV, blue, green, yellow, orange, red and / or near IR spectral region.
  • the optoelectronic component is a light-emitting diode, LED for short, or a laser diode.
  • the device is adapted to emit radiation having a dominant wavelength from the UV, blue, green, yellow, orange, red and / or near IR spectral region.
  • the conversion element is adapted to that of the
  • Semiconductor layer sequence emitted radiation at least partially convert into a secondary radiation.
  • the secondary radiation has a different, usually longer, wavelength than the wavelength of the
  • the conversion element is self-supporting.
  • cantilever is here and below referred to that the conversion element carries itself and no further
  • Conversion element can be applied in the so-called pick-and-place process without further support to the semiconductor layer sequence.
  • the substrate may be glass, glass-ceramic, sapphire or a transparent or translucent ceramic.
  • the substrate is glass or sapphire.
  • a glass for example, a
  • Borosilicate glass such as D263, D263T or D263TECO from Schott or, for example, an aluminosilicate glass such as, for example, AS87 eco from Schott.
  • glassy materials, polycrystalline alumina or other transparent or translucent materials may also be used.
  • the substrate should have good stability to moisture, radiation and / or high temperatures. Quality
  • Stability to moisture means that after a humidity test at 85 ° C and 85% relative humidity after 1000 hours, no significant
  • Crystals are located on the surface. The same also applies with respect to stability to radiation (for example, when irradiated with blue light with 3 W / mm 2 for 1000 h) and temperature (for example, 150 ° C for 1000 h).
  • the substrate can be applied by means of an adhesive to the
  • Main radiation exit surface of the semiconductor layer sequence can be applied.
  • the substrate may have further coatings which, for example, to improve stability
  • the substrate is structured.
  • the structuring can be done by means of a laser, by applying microlenses on the surface of the
  • Crystal lattices are generated on the surface.
  • Sapphire substrate with special surface structure are used (PSS, patterned sapphire substrates).
  • the substrate has a coupling-out foil or coupling-out structure.
  • the coupling or decoupling of radiation can be increased and thus the efficiency of the optoelectronic component can be increased.
  • Decoupling structure for shaping the beam of the
  • the substrate has coatings.
  • the coating may, for example, have a scattering layer in order to increase the light extraction.
  • the coating can also be used as encapsulation. The encapsulation should be against environmental influences, such as
  • a phosphor is used as the conversion material, which, for example, has a protective layer on the particles in order to protect it against environmental influences
  • Protecting moisture can be damaged by machining such as sanding or polishing this protective layer. Then, a further protective layer can be applied after production of the conversion material in order to increase the stability.
  • the protective layer can also after a
  • a protective layer are, for example evaporated layers of eg S1O 2 and / or Al 2 O 3 ,
  • layers which are applied by atomic layer deposition ALD, atomic layer deposition
  • polymeric or hybrid polymer layers for example from Ormocer, polysilazane, polysiloxane, silicone, and / or
  • the substrate has functional coatings, such as dichroic coatings, interference coatings, or
  • Anti-reflective coatings on. These coatings may have antireflective properties or filter properties.
  • the substrate may be a dielectric
  • Main radiation exit surface is opposite and reflected back a part of the radiation passed through the substrate in order to achieve a more homogeneous edge emission.
  • the substrate may include dielectric filters that reflect at least a portion of the radiation and thus a
  • the substrate can achieve full conversion.
  • dielectric filters that reflect wavelength selective, for example, preferably a portion of the blue primary radiation while the secondary radiation hardly
  • the changes of the substrate described here can take place individually or else in combination, so that both the substrate side facing the main radiation exit surface and the opposite substrate side can be changed simultaneously or individually.
  • the dichroic coating may be on the first
  • a dichroic coating consists of several thin layers with refractive index differences.
  • the dichroic coating can have two main functions, in particular if it is applied to the substrate side facing the first layer and the substrate is applied to the semiconductor layer sequence: on the one hand, it ensures high transmission of the incoming one
  • the dichroic coating may be on top of the first layer
  • the dichroic coating described above can be any dichroic coating.
  • the substrate has a filter that can selectively absorb wavelengths.
  • the substrate material may be a filter glass, for example a shortpass, longpass or bandpass filter. This can be of advantage especially in an application with
  • Semiconductor layer sequence is applied and the substrate emitted by the semiconductor layer sequence and by the absorbed radiation transmitted so that the light emitted by the component consists almost completely of secondary radiation.
  • the surface treatments of the substrate described herein may be applied to the surface of the substrate
  • the first layer may have a surface facing away from the substrate.
  • the first layer can be structured.
  • the structuring can be carried out with the same method as already described for the substrate.
  • the first layer may be polished, ground, etched and / or coated.
  • the surface of the first layer is smooth. This is advantageous if the first layer by means of an adhesive on the
  • the adhesive layer usually has a low thermal conductivity and thus represents a thermal barrier, in particular for a thick layer, whereby the heat dissipation from the first layer is limited and the
  • Temperature in the first layer is very high, which in turn can lead to a lower efficiency of the conversion materials and thus to a lower luminance of the device due to thermal quenching.
  • the thickness of the first layer is very high, which in turn can lead to a lower efficiency of the conversion materials and thus to a lower luminance of the device due to thermal quenching.
  • Substrate between 50 ym to 200 ym, preferably between 100 to 180 ym. When the substrate is on the
  • Substrate are made very thin and have the highest possible thermal conductivity in order to increase the heat dissipation of the heat generated in the conversion element. But it should also be thick enough so that the conversion element is cantilevered and can be easily handled during manufacture.
  • the first layer has a homogeneous
  • Layer thickness the maximum of 100 ym or of a maximum of 90 ym or a maximum of 80 ym or a maximum of 70 ym, more preferably 60 ym, preferably at most 50 ym or at most 45 ym or at most 40 ym or at most 35 ym or at most 30 ym or maximum 25 ym or maximum 20 ym for partial conversion
  • Full conversion is the maximum layer thickness 200 ym, or a maximum of 180 ym, or a maximum of 150 ym, or a maximum of 130 ym, preferably a maximum of 110 ym or a maximum of 90 ym or a maximum of 80 ym or a maximum of 70 ym or a maximum of 60 ym or a maximum of 50 ym or a maximum of 40 ym, ideally from 30 ym to 150 ym.
  • the layer thickness has a maximum deviation of 20%, or 10%, or 5%, or 3%, or 2% or 0.5% of the average layer thickness.
  • Conversion element on a conversion material is a conversion material.
  • more than one conversion material for example, at least two conversion materials, in the
  • Conversion element be present.
  • at least two different conversion materials are embedded in the matrix material.
  • the conversion material may consist of or comprise inorganic phosphors, for example
  • the conversion material may be capable of
  • the conversion material is capable of partially increasing the radiation of the semiconductor layer sequence
  • the first layer has a layer thickness between 20 ⁇ m and 70 ⁇ m for partial conversion.
  • the first layer has a layer thickness between 30 ym to 150 ym for full conversion.
  • the substrate can be patterned
  • Conversion element and organic conversion materials such as organic dyes, or have quantum dots. There can be more than two conversion materials in the
  • Conversion element be present. This allows a color location or the color rendering index to be optimally adjusted. For example, by combining a green and red conversion material, it is possible to produce warm white mixed light having a high color rendering index.
  • the first layer has a plurality of partial layers.
  • the first layer may be formed such that the first layer has a plurality of conversion materials, which in
  • Conversion materials can be in same or
  • the partial layers can vary in thickness, compactness,
  • the conversion material may be spherically shaped. This can be in the first layer to a high degree of filling
  • Conversion material can be achieved and thus a compact first layer are produced.
  • the conversion element formed thin.
  • the conversion element has a scatter due to the pores and
  • Component ratios can also be adjusted in the production by the choice of suitable process parameters, such as drying, heating, or by the control of moisture or by means of a temperature ramp.
  • the compactness of the first layer can also be influenced by the size and shape of the conversion materials as well as by the ratio between the conversion material and the matrix material.
  • An as compact as possible first layer with the surface as closed as possible is advantageous if the first layer is applied to the semiconductor layer sequence by means of adhesive, so that little adhesive gets into the pores of the first layer.
  • the component can be used for stage lighting, flashlight, in the automotive sector (for example, for headlights, turn signals, brake lights), lamps, displays, endoscope,
  • Conversion element scattering particles or fillers on.
  • the scattering particles or fillers are Conversion element scattering particles or fillers.
  • the scattering particles or the fillers may have a different shape, for example, spherical, rod-shaped or disk-shaped, wherein the particle size can be between a few nanometers to a few tens of micrometers. Smaller particles can be used to reduce the viscosity of the
  • Thickness homogeneity contribute.
  • the scattering can be changed and / or the mechanical stability can be improved. According to at least one embodiment, the
  • An additive may be aerosil or silica, such as sipernate.
  • silica such as sipernate.
  • Conversion element made of several layers, which in layer thickness, compactness, matrix material,
  • Conversion material, scatterers and / or fillers may vary.
  • Matrix material or the conversion element in addition to a chemical hardener.
  • a chemical hardener for example between a temperature of 150 to 350 ° C for water glass, it is possible to produce a conversion element that is very stable to moisture. In particular, this shows
  • the hardener is formed next to possibly arising Alkalicarbonate another by-product. In the case of a phosphate hardener, this would be an alkali phosphate.
  • Monoaluminium phosphate added no chemical hardener.
  • the aluminum phosphate described here, monoaluminum phosphate or modified monoaluminum phosphate preferably has a molar ratio of Al to P of 1: 3 to 1: 1.5 and cures in particular at temperatures between 300 ° C and 400 ° C.
  • other elements or compounds may be included, but preferably max. 1 mole% of alkali and halogen compounds.
  • water glass differs from a conventional glass in particular by its properties, such as porosity.
  • the water glass used for the matrix material may at least be made of lithium water glass,
  • Sodium water glass, potassium water glass or a mixture thereof or have these alkali water glasses have these alkali water glasses.
  • the inventors have recognized that in particular a combination of lithium water glass and potassium water glass has excellent properties for the matrix material.
  • the ratio between lithium water glass and potassium water glass has excellent properties for the matrix material.
  • Potassium water glass between 1: 3 to 3: 1.
  • the ratio between lithium water glass and potassium water glass is 1: 3, 1: 1 or 3: 1, preferably 1: 1.
  • the alkali water glasses may for example have a modulus of 1.5 to 5, preferably a modulus of 2.5 to 4.5.
  • the term module is the molar ratio of 2 to S1O Alkali oxide and known in the art. Therefore, it is not explained in detail here.
  • a matrix material for example, a metal phosphate, such as aluminum phosphate, monoaluminum phosphate or a
  • modified monoaluminum phosphate reagents which, for example, have an oxidizing influence during coating, drying or curing, can be used to form a
  • Conversion material homogeneously distributed in the matrix material may have a concentration gradient, for example, in the direction away from the semiconductor layer sequence an increase in the
  • larger particles may be closer to the substrate and smaller particles may be on the surface of the substrate
  • the backscatter can be reduced.
  • the backscattering of the blue light that is to say the light emitted by the semiconductor layer sequence, can be reduced. This is the proportion of blue radiation, which hits back to the semiconductor layer sequence,
  • Matrix material at least one condensed sol-gel material or consists thereof.
  • Sol-gel materials are referred to herein and hereinafter as those materials made by a sol-gel process.
  • the sol-gel process is a process for the production of
  • Starting materials are also referred to as precursor materials. From them arise in solution in a first basic reaction finest particles.
  • Further processing of the brine can be powder, fibers,
  • the sol-gel material is selected from the following group:
  • Metal phosphate aluminum phosphate, monoaluminum phosphate, modified monoaluminum phosphate, alkoxytetramethoxysilane, tetraethylorthosilicate, methyltrimethoxysilane,
  • Matrix material accounts for 10 to 70% by volume in the first layer. Preferably, the proportion is 15 to 50% by volume, for example 20 to 40% by volume.
  • Optoelectronic devices which preferably emit cold white light, preferably have a sol-gel material in a proportion between 10 and 70% by volume in the first
  • sol-gel material in the first layer of between 20 to 40% by volume.
  • the proportion of sol-gel material depends inter alia on the particle size and the activator content of the
  • Conversion element can be produced a very good moisture stability and thus a stable optoelectronic device can be generated.
  • the substrate is free of the sol-gel material or matrix material. In other words, the substrate has no sol-gel material as
  • Surfaces of the substrate are free of the sol-gel material of the conversion element. For example, that can
  • Conversion element or the first layer, which has the sol-gel material are applied directly to the substrate, in which case there is a direct connection between the substrate and sol-gel material.
  • the substrate serves for mechanical stabilization of the first layer, so that the conversion element is cantilevered.
  • the matrix material is a metal phosphate solution, for example a solution of aluminum phosphate, monoaluminum phosphate
  • the matrix material is a condensed sol-gel material that consists of a
  • Monoaluminum phosphate solution or from a modified monoaluminum phosphate solution are provided.
  • the matrix material is a condensed sol-gel material that has been prepared from a solution of waterglass or a mixture of a solution of several waterglasses and optionally additional hardeners.
  • the cantilevered conversion element by means of an adhesive on the
  • Main radiation exit surface is the area of
  • Semiconductor layer sequence meant, which is arranged perpendicular to the growth direction of the semiconductor layer sequence and facing the conversion element.
  • Main radiation exit surface glued can be done using an inorganic or organic adhesive
  • the adhesive layer should be as thin as possible, For example, be formed with a layer thickness of 500 nm to 15 ym, in particular from 1 ym to 10 ym, ideally from 2 ym to 7 ym.
  • the adhesive is a silicone and the cantilevered conversion element is free of the silicone.
  • Main radiation exit surface arranged wherein the side of the substrate, which is not coated with the first layer, is adhered.
  • the first layer is arranged on the main radiation exit surface by means of an adhesive, and the first layer is disposed directly on the main radiation exit surface
  • Substrate is arranged.
  • the optoelectronic device in operation radiation with a color temperature between 2500 K to 4500 K can be in operation radiation with a color temperature between 2500 K to 4500 K.
  • the color rendering index CRI can be between 70 and 100.
  • optoelectronic component in operation radiation with a color temperature between 4500 K to 8000 K up. additionally can the optoelectronic device a
  • the condensed sol-gel material has a proportion of between 20 and 50% by volume in the first layer.
  • An optoelectronic component which preferably emits warm white light preferably has a proportion of between 20 and 40% by volume. The percentage of volume percent refers here to the total amount of the first layer.
  • Conversion element inorganic In other words, the conversion element has only inorganic constituents and is free of organic materials. For example, the conversion element has no silicone.
  • Conversion element contain several conversion materials to adjust the color location or CRI. By combining, for example, a green and red conversion material, warm white or cool white light, in particular with a high CRI, can be produced. By using two types of conversion material, the emission spectrum can be adjusted accordingly and a desired CRI and R9 value can be obtained.
  • the conversion material has particles that have a
  • Particle size may be crucial to produce a dense package as possible, and thus a compact first Layer with a good thermal conductivity too
  • Sedimentation rate results due to the different particle size, shape and / or density of the conversion material. Such an arrangement can lead to a better heat dissipation, to a reduced heat dissipation
  • they are lateral
  • Main radiation exit surface of the substrate are removed.
  • the removal can take place for example by means of liftoff or by other processes, for example by chemical dissolution or by a mechanical or thermal
  • a sacrificial layer between substrate and first layer may also be used, wherein the sacrificial layer may be chemically, thermally, or is modified by radiation such that removal of the substrate is possible.
  • a substrate having a coefficient of thermal expansion is used such that the conversion element and the substrate undergo little distortion after curing during fabrication
  • the singling can by means of sawing, for example by means of diamond saw, means
  • Expansion coefficient of the substrate is for example 4 * 10 "6 1 / K to 11 * 10 " 6 1 / K, preferably 5 * 10 "6 1 / K to 10 * 10 ⁇ 6 1 / K for a temperature range of 20-300 ° C.
  • Conversion element can be provided a device having a high luminance with a high
  • the inorganic matrix materials described herein have a high thermal conductivity, high temperature stability and high stability to radiation.
  • the first layer can be similarly thin, possibly even thinner formed compared to conventional conversion elements, which have a silicone as a matrix material. This is possible because the matrix material here is a condensed sol-gel material, which typically has a lower viscosity in the
  • Conversion material content can be introduced during manufacture.
  • the condensed sol-gel shrinks Material during manufacture, mainly due to the removal of the solvent, resulting in more compactness.
  • the first layer described here is on a
  • Substrate arranged so as to produce a mechanical stabilization of a cantilevered conversion element. It can be easily used in the pick-and-place process on the
  • Main radiation exit surface of the semiconductor layer sequence can be arranged.
  • the arrangement of the conversion element can be directly on the semiconductor layer sequence. Alternatively, between the conversion element and the
  • Main radiation exit surface further layers or
  • Passivation layer and / or an encapsulation, be arranged.
  • Conversion material in the first layer as close to the main radiation exit surface is arranged and the resulting heat in the first layer well over the
  • Main radiation exit surface can be derived, whereby the efficiency and / or life increases.
  • the substrate may be arranged between the main radiation exit surface and the first layer.
  • the conversion element is over here
  • Main radiation exit surface which is not coated with the first layer.
  • the inorganic conversion element described here can be operated at higher operating currents than conversion elements comprising organic materials.
  • these conversion elements have a higher luminance and higher luminous flux and can have a high
  • the conversion element should be very thin, highly filled with the conversion material and be formed inorganically.
  • the substrate may be transmissive (transparent or translucent). Thus here and below a substrate is referred to, which is an internal
  • Internal transmission here means the transmission without reflection on the surfaces (Fresnel reflection).
  • the adhesive may also be the same material as the matrix materials for the conversion element described herein.
  • the adhesive may be a glass, in particular a low-melting glass, or a polymer.
  • the adhesive may have fillers. According to at least one embodiment, the
  • the optoelectronic components used here have numerous advantages: An optoelectronic component can with a high
  • Heat dissipation can be compared to organic
  • Matrix materials such as silicone, can be used.
  • these optoelectronic components at higher temperatures
  • the invention further relates to a method for producing an optoelectronic component.
  • the optoelectronic component described here is preferably produced by the method.
  • the method comprises the following steps:
  • Step B) optionally smoothing a surface of the first layer facing away from the substrate.
  • Step B) can be carried out, for example, by means of doctoring, screen printing, stencil printing, dispensing, spray coating, spincoating or dip coating.
  • a dispersion here is in particular a homogeneous mixture of at least two
  • the smoothing can be done for example by polishing or grinding.
  • an additional step B5) is performed: singulating the substrate and the first layer to produce a plurality of conversion elements, wherein at least one
  • Conversion element is arranged on the main radiation exit surface. To create a compact first layer, it can be made from
  • the first layer may have several
  • the drying and curing can be between the individual
  • a material for example a polymer, such as silicone or polysilazane, or generally a material that has a low light absorption in the pores can be incorporated into the pores
  • Conversion element can be applied to the pores of the
  • the coating can do that have the same matrix material.
  • the coating may also have a filler.
  • the edges of the conversion element can be coated, for example by means of molding or casting.
  • silicone with titanium dioxide particles for example, be attached to the edges of the conversion element.
  • Further layers may be arranged between the substrate and the first layer, for example protective layers which protect the substrate from a hard conversion material
  • a protective layer may be, for example, aluminum oxide or silicon dioxide.
  • the lateral extent of the conversion element can be
  • the total thickness of the conversion element can be between 30 .mu.m and 2 mm, preferably between 50 .mu.m and 500 .mu.m, particularly preferably between 100 .mu.m and 250 .mu.m.
  • the conversion element may have areas in which recesses are present, for example during the
  • Semiconductor layer sequence to release a bonding pad over which the semiconductor layer sequence is electrically contacted This area can be created later.
  • the generation can be mechanical, for example by sawing or
  • the invention further relates to a conversion element.
  • a conversion element preferably has the optoelectronic described here Component on the conversion element. All designs and definitions for the optoelectronic apply
  • Conversion element cantilevered and optionally in
  • the cantilevered conversion element comprises a substrate and a first layer, wherein the first layer comprises at least one conversion material embedded in a matrix material, the matrix material having at least one condensed sol-gel material selected from the group consisting of water glass, metal phosphate .
  • Material and the conversion material is used for mechanical stabilization of the first layer.
  • FIGS. 1A to 1H each show a schematic side view of an optoelectronic component according to FIG.
  • Figures 2A to 2D each an optoelectronic
  • Figures 3A, 3B, 3D, 3E and 9A to 9E respectively
  • FIGS. 5A to 5F a method for producing an optoelectronic component according to an embodiment
  • FIG Optoelectronic component according to an embodiment Figures 7A to 7H respectively data from robustness tests
  • identical, identical or identically acting elements can each be provided with the same reference numerals.
  • the illustrated elements and their proportions with each other are not to be considered as true to scale. Rather, individual elements such as layers, components, components and areas for exaggerated representability and / or for better understanding can be displayed exaggeratedly large.
  • FIGS. 1A to 1H each show a schematic
  • the optoelectronic component 100 of FIG. 1A has a semiconductor layer sequence 1.
  • the semiconductor layer sequence is a semiconductor layer sequence 1.
  • Then 1 may be, for example, InAlGaN.
  • Semiconductor layer sequence has an active region which emits radiation at least via a main radiation exit surface 11 during operation.
  • the semiconductor layer sequence 1 emits radiation from the blue
  • Main radiation exit surface 11 is a conversion element
  • Conversion element 2 and the semiconductor layer sequence 1 further layers, such as an adhesive layer 3, as shown in Figures 1D to IG, be arranged.
  • the conversion element 2 has a first layer 22, which is arranged on a substrate 21.
  • the arrangement can be direct or indirect. Direct here means that no further layers or elements are arranged between the first layer 22 and the substrate 21 (see FIG. 1B).
  • the first layer 22 may comprise a matrix material 221, that is to say a condensed sol-gel material, for example water glass or metal phosphate.
  • At least one conversion material 222 may be embedded in the matrix material 221.
  • Suitable conversion materials 222 are any materials that are adapted to convert the radiation emitted by the semiconductor layer sequence 1 into radiation having a changed, usually longer, wavelength.
  • the first layer 22 may have a surface 8 facing away from the substrate 21, which is structured.
  • Structuring can be done by polishing, grinding, etching or by a coating.
  • the conversion element 2 can not only have a first layer 22, but the first layer 22 can be formed from further partial layers 4 and 5.
  • the sub-layers 4, 5 can each
  • Conversion materials 222, 224 may be arranged.
  • Conversion materials 222, 224 may be the same or
  • the conversion materials 222, 224 are each embedded in a matrix material 221, 223.
  • the matrix material 221, 223 may be, for example, water glass or metal phosphate.
  • the matrix material 221, 223 of the partial layer 4 and the partial layer 5 may be the same or different.
  • the partial layers 4, 5 can be arranged on the substrate 21.
  • the substrate 21 may be made of glass, glass ceramic, sapphire or transmissive ceramic.
  • FIG. 1D shows that between the
  • an adhesive layer 3 is arranged.
  • Main radiation exit surface 11 (not shown here) and the first layer 22, the substrate 21 may be arranged.
  • the Substrate 21 can therefore be arranged directly downstream of the adhesive layer 3 or the main radiation exit surface 11.
  • Main radiation exit surface 11 (not shown here) and the substrate 21, the first layer 22 may be arranged.
  • the first layer 22 can therefore be arranged directly downstream of the adhesive layer 3 or the main radiation exit surface 11.
  • the figure IG shows the arrangement of the optoelectronic
  • the housing may have a recess in which the optoelectronic component 100 is arranged.
  • the recess may be filled with a potting 6, for example made of silicone or other inorganic potting material.
  • FIG. 1H shows the arrangement of the optoelectronic device
  • the housing may have a recess in which the optoelectronic component 100 is arranged.
  • the recess may be filled with a potting 6, for example made of silicone or other inorganic potting material.
  • a potting 6 for example made of silicone or other inorganic potting material.
  • Embodiment of the figure IG here the potting 6 is filled only to the top of the conversion element.
  • the potting 6 may have, for example, silicone filled with T1O 2 particles here.
  • FIGS. 2A and 2B respectively show
  • Conversion element 2 according to one embodiment.
  • FIG. 2A shows a glass substrate 21 on which a first layer 22 is arranged.
  • the first layer has Roughening on the surface 8, which faces away from the substrate 21 on.
  • this surface 8 is smoothed.
  • the smoothing can be done for example by polishing or grinding. It is thus possible to produce very thin first layers 22, for example with a layer thickness of ⁇ 50 ⁇ m.
  • an optoelectronic component 100 which, as with a silicon matrix, has all color loci and a high color rendering index. Compared to a silicon matrix, however, the device 100 can operate at high operating currents and current densities
  • Component 100 can, as shown in FIGS. 2C and D, also be arranged in the form of a matrix.
  • the lateral extent of the conversion element may, for example, be 1 mm ⁇ 1 mm or approximately 1.3 mm ⁇ 1.5 mm.
  • FIGS. 3A to 3F show the comparison of FIG
  • FIG. 3A shows a scanning electron microscope
  • Aluminum phosphate is, wherein the first layer 22 has no polished surface.
  • FIG. 3B shows the
  • FIG. 3D shows a polished surface of the first layer 22, in which the matrix material 221
  • Aluminum phosphate is, the figure 3E is a cross section of a after gluing onto a semiconductor layer sequence 1, and FIG. 3F shows a polished cyber-scan profilometry. It can be seen that by using a polished surface the particles of the conversion material
  • the layer thickness of the adhesive layer 3 can be reduced from originally 15 .mu.m, ie unpolished, to 5 .mu.m, thus increasing the heat removal, thereby enabling a higher operating current density.
  • FIG. 4 shows the converter temperature T in .degree Semiconductor layer sequence facing away from the conversion element in dependence on the
  • Aluminum phosphate is used as a matrix material, can be produced at high operating currents of 3 A / mm ⁇ .
  • the application of a conversion material on a substrate, in particular glass, allows the use of higher Operating currents and current densities and a higher
  • FIGS. 5A to 5F show a method for producing an optoelectronic component according to FIG.
  • Embodiment In particular, here is one
  • Conversion material 222 is provided and introduced into a liquid sol-gel material 221.
  • a dispersion is produced (see FIG. 5B).
  • This dispersion can be applied to a cleaned substrate 21.
  • the cleaning can be done for example with a solvent or with ultrasound or by a plasma treatment.
  • the volume fraction of the matrix material 221 in the first layer 22 is between 10 and 70% by volume.
  • the mixing for the preparation of the dispersion can be effected by means of homogenization.
  • the dispersion can then, as shown in FIG. 5C, be applied to a substrate, for example glass, by means of doctor blading. Subsequently, a heating, for example, to 350 ° C, take place. The heating can be done for example in an oven. If necessary, then the
  • FIG. 6 shows an area 6-1 of the surface of the
  • Light extraction improved and efficiency can be increased and / or color orthogeneity over the angle can be improved.
  • FIGS. 7A to 7H show different ones, respectively
  • Figures 7A, 7C, 7E and 7G show the
  • Iv denotes the light intensity measured perpendicular to
  • FIGS 7B, 7D, 7F and 7H show the dependence of ⁇ in units of 0.001 and the time t in h.
  • ⁇ denotes the absolute change of the x component of the color locus (in the CIE standard color chart) of the total radiation of the component with respect to the x component at 0 h.
  • matrix material 221 aluminum phosphate is used, as green conversion material 222 LuAG: Ce and as red
  • the substrate 21 is a glass substrate and has a thickness of 170 ⁇ m.
  • the glass is from Schott and has the trade name D263. The tests were done at different temperatures and
  • FIGS. 8A to 8D respectively show conversion elements as comparative examples (FIGS. 8A to 8C) and one
  • Matrix material conventional glass on and that
  • Conversion element of Figure 8D is the conversion element for the device described here with the here
  • Matrix material 221 (g-green, y-yellow, r-red, w-warm white).
  • the device of Figure 8A can not be used at high temperatures because of the silicone because of silicone
  • FIG. 8B The component of FIG. 8B can be used for
  • the color rendering index is limited in these conversion materials.
  • warm white optoelectronic components can be produced here, these are usually likewise limited with regard to the color rendering index.
  • the optoelectronic component according to the invention can overcome all of these disadvantages and has the advantage that, through the use of the inorganic condensed sol-gel material, such as, for example, aluminum phosphate,
  • Conversion materials can be mixed and thus a device with a high luminance and stability can be provided.
  • Example 1 In the following, optoelectronic components are each described according to an embodiment.
  • Example 1
  • Aluminum phosphate 6 warm white Converter with high CRI and R9 A suspension of aluminum phosphate with a warm white phosphor mixture 1 is produced.
  • the suspension may be diluted with distilled water to adjust the viscosity. That's too fluid
  • Mass ratio should hiss 1: 2 and 1: 0.3, in particular between 1: 1.5 and 1: 0.4, ideally, it should be 1: 0.5.
  • the suspension is applied to a substrate 2 , for example by means of a doctor blade.
  • the squeegee gap can be between 10-200 ym, especially between 30-100 ym, and ideally between 40-80 ym.
  • the application speed is typically between 1 - 99 mm / sec. varied.
  • the freshly coated substrate is pre-dried in normal air, in a clean room or in a drying oven.
  • the room temperature and humidity can be between 18-50 ° C and 0-80 g / m 3 , especially between 18-30 ° C and 0-50 g / m 3 and ideally between 19-23 ° C and 0-30 g / m 3 are kept constant.
  • the substrate is typically predried with a
  • Diamond cutter cut into equal parts and baked at temperatures between 150 ° C - 450 ° C for 10 to 120 min.
  • FIGS. 9A and 9B show two exemplary SEM images (top view) of a sample with aluminum phosphate and warm white phosphor mixture.
  • Figure 9c shows an exemplary side view of a sample with aluminum phosphate and warm white
  • Fluorescent mixture. H means high voltage, A working distance and V magnification.
  • the substrates are prepared by a polishing, lapping, grinding or by a combination of
  • FIG. 9D shows an exemplary SEM image of a
  • FIG. 9E shows an exemplary SEM image of a
  • the substrate becomes
  • FIG. 9F shows an illustration of a sawed one
  • the suspension may be supplemented with at least one other phosphor to vary, for example, the CRI, the R9, the emission color or the color temperature.
  • the viscosity can be adjusted by adding distilled water.
  • the solid to liquid mass ratio may be 1: 2 and 1: 0.3, in particular between 1: 1.5 and 1: 0.4, ideally 1: 0.5.
  • the suspension is applied to a substrate 2 , for example by means of a doctor blade.
  • the squeegee gap can be between 10 - 200 ym, in particular between 30 - 100 ym and in the Ideally, be between 40 - 80 ym.
  • Application speed can be between 1 - 99 mm / sec.
  • the freshly coated substrate is exposed to normal air, in a
  • Room temperature and humidity can be between 18 - 50 ° C and 0 - 80 g / m 3 , especially between 18 - 30 ° C and 0
  • Substrate typically cut in equal parts with a diamond cutter and at temperatures between 150 ° C.
  • the substrates may be prepared by a polishing, lapping, grinding process or by a combination of
  • the substrate can be any material.
  • various processes are further refined. After the final surface treatment, the substrate can be any material.
  • 1mm x 1mm converter can be cut.
  • Aluminum phosphate 6 red Converter A suspension of aluminum phosphate with a nitridic phosphor 4 is prepared.
  • the suspension may be supplemented with at least one other phosphor to vary, for example, the CRI, the R9, the emission color or the color temperature.
  • the CRI the CRI
  • the R9 the emission color
  • the color temperature the CRI
  • Viscosity be adjusted by adding distilled water.
  • the solid to liquid mass ratio can hiss 1: 2 and 1: 0.3, in particular between 1: 1.5 and 1: 0.4, im
  • Ideal case 1 0.5, amount.
  • the suspension will for example, applied by means of a doctor blade on a substrate 2 .
  • the squeegee gap can be between 10 - 200 ym, in particular between 30 - 100 ym and ideally between 30 - 70 ym.
  • the application speed can typically be between 1 - 99 mm / sec. To be varied. After this
  • the freshly coated substrate is pre-dried in normal air, in a clean room or in a drying oven.
  • the room temperature and humidity can be between 18-50 ° C and 0-80 g / m 3 , especially between 18-30 ° C and 0-50 g / m 3 and ideally between 19-23 ° C and 0-30 g / m 3 are kept constant.
  • the substrate can typically be predried with a
  • the substrates may be prepared by a polishing, lapping, grinding process or by a combination of
  • the substrate can be any material.
  • various processes are further refined. After the final surface treatment, the substrate can be any material.
  • the suspension may be supplemented with at least one other phosphor or conversion material to vary, for example, the CRI, the emission color or the color temperature.
  • the viscosity can be increased by adding adjusted to distilled water.
  • the solid to liquid mass ratio may be 1: 2 and 1: 0.3, in particular between 1: 1.5 and 1: 0.4, ideally 1: 0.5.
  • the suspension is, for example by means of a squeegee on a
  • the squeegee gap can be between 10-200 ym, especially between 30-100 ym, and ideally between 40-80 ym.
  • the application speed can typically be between 1 - 99 mm / sec. be varied.
  • Drying oven pre-dried. The room temperature and
  • Humidity can be between 18 - 50 ° C and 0 - 80 g / m 3 , in particular hiss 18 - 30 ° C and 0 - 50 g / m 3 and ideally hiss 19 - 23 ° C and 0 - 30 g / m 3 constant
  • the substrate can typically be cut into equal parts with a diamond cutter and baked at temperatures between 150 ° C - 450 ° C for 10 to 120 minutes.
  • the substrates may be prepared by a polishing, lapping, grinding process or by a combination of
  • the substrate can be any material.
  • various processes are further refined. After the final surface treatment, the substrate can be any material.
  • 1mm x 1mm converter can be cut.
  • divalent metals such as in particular Sr and / or Ca, for example Sr (Sr, Ca) Si 2 Al 2 6 : Eu
  • the suspension is made in a speed mixer or ball mill alternative supratrate materials
  • Precoated substrates e.g. Glass substrate with
  • Chemical compositions of a nitridic phosphor "258": M2 (Al, Si) 5 (, 0) 8-type phosphor doped with Eu (M Ca, Sr, Ba) or phosphor derived therefrom, for example, (Sr, Ba, Ca, Mg) 2 Si 5 N 8 : Eu

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein optoelektronisches Bauelement (100) aufweisend eine Halbleiterschichtenfolge (1) mit einem aktiven Bereich, der zumindest über eine Hauptstrahlungsaustrittsfläche (11) in Betrieb Strahlung emittiert, ein freitragendes Konversionselement (2), das im Strahlengang der Halbleiterschichtenfolge (1) angeordnet ist, wobei das freitragende Konversionselement (2) ein Substrat (21) und nachfolgend eine erste Schicht (22) aufweist, wobei die erste Schicht (22) zumindest ein Konversionsmaterial (222) aufweist, das in einem Matrixmaterial (221) eingebettet ist, wobei das Matrixmaterial (221) zumindest ein kondensiertes Sol-Gel Material aufweist, wobei das kondensierte Sol-Gel Material einen Anteil zwischen 10 und 70 Vol% in der ersten Schicht (22) aufweist, wobei das Substrat (21) frei von dem Sol-Gel Material und dem Konversionsmaterial (222) ist und zur mechanischen Stabilisierung der ersten Schicht (22) dient.

Description

Beschreibung
OPTOELEKTRONISCHES BAUELEMENT UND VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG EINES OPTOELEKTRONISCHEN BAUELEMENTS
Die Erfindung betrifft ein optoelektronisches Bauelement. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Bauelements. Optoelektronische Bauelemente, wie beispielsweise
Leuchtdioden (LEDs) , erfordern für viele Anwendungen direktes oder fokussiertes Licht, beispielsweise für
Bühnenbeleuchtungen oder Autoscheinwerfer . Für derartige Anwendungen ist es wichtig, dass die optoelektronischen
Bauelemente eine hohe Leuchtdichte aufweisen.
Viele optoelektronische Bauelemente weisen neben einer
Halbleiterschichtenfolge auch ein Konversionselement auf. Das Konversionselement ist dazu eingerichtet, das von der
Halbleiterschichtenfolge emittierte Licht, insbesondere Licht mit einer Wellenlänge aus dem blauen Spektralbereich, in Licht einer anderen, meist längeren, Wellenlänge zu
konvertieren. Die Konversion erfolgt durch zumindest ein Konversionsmaterial. Für viele Anwendungen soll möglichst viel Licht aus einer definierten Emissionsfläche austreten, damit das Licht über Optiken beispielsweise auf eine
bestimmte Fläche gerichtet werden kann. Mit anderen Worten soll das Bauelement eine möglichst hohe Leuchtdichte
besitzen. Dabei werden Konversionselemente häufig in Form von Plättchen ausgeformt und auf die Halbleiterschichtenfolge mittels eines Klebers aufgebracht. Optional werden die
Plättchen mit einem weiteren Material umschlossen,
beispielsweise mit einem Silikon gefüllt mit T1O2 Partikeln, damit kein Licht seitlich aus dem Chip bzw.
Konversionselement austritt sondern die Lichtaustrittsfläche durch die Oberfläche des Konversionselements definiert wird.
In herkömmlichen optoelektronischen Bauelementen beschränken oft die Konversionselemente die maximale Stromdichte der LED und damit die maximale Leuchtdichte. Insbesondere für
Anwendungen mit einem hohen Farbwiedergabeindex (CRI), beispielsweise für ein warmweiß emittierendes
optoelektronisches Bauelement mit einer Farbtemperatur von beispielsweise 3200 K ist es erforderlich, eine Kombination eines grün und rot emittierenden Konversionsmaterials in dem Konversionselement zu vereinen. Bisher ist es allerdings nicht gelungen, Konversionselemente bereitzustellen, die einen hohen Farbwiedergabeindex (CRI) für warmweißes Licht bei hohen Stromdichten des optoelektronischen Bauelements, beispielsweise bei mehr als 1 A/mm^, aufweisen, und einen stabilen Betrieb bei den dabei auftretenden Temperaturen ermöglichen .
Bisher sind Konversionselemente bekannt, die beispielsweise ein Matrixmaterial aus Polymer, wie Silikon, aufweisen, in dem das Konversionsmaterial bzw. die Konversionsmaterialien eingebettet sind. Diese Konversionselemente weisen allerdings eine geringe thermische Stabilität auf.
Des Weiteren sind Konversionskeramiken bekannt. Allerdings sind diese Konversionskeramiken dahingehend beschränkt, dass oft nur ein Typ von Konversionsmaterial verwendet werden kann. Eine Kombination von verschiedenen Typen von
Konversionsmaterialien in den Konversionskeramiken ist in der Regel nicht möglich, da die Konversionskeramiken in der Regel bei Temperaturen von mehr als 1400 °C hergestellt werden und verschiedene Typen von Konversionsmaterialien, beispielsweise Granat- und Nitridbasierte Leuchtstoffe, miteinander
reagieren würden, wodurch sich die optischen Eigenschaften wie Emissionsspektrum oder Quanteneffizienz ändern können. Es ist daher nicht möglich, Konversionskeramiken mit einem hohen Farbwiedergabeindex für kalt- oder warmweißes Licht zu erzeugen .
Ferner ist es prinzipiell möglich, Konversionsmaterialien in Glas als Matrixmaterial einzubetten. Hier besteht die
Herausforderung, ein geeignetes Glasmaterial zu finden, das stabil ist gegen Feuchtigkeit und Strahlung, und in das sich das Konversionsmaterial bzw. verschiedene
Konversionsmaterialien ohne permanente Schädigung einbetten lassen.
Die hier beschriebenen herkömmlichen Konversionselemente weisen den Nachteil auf, dass diese relativ dick ausgeformt werden müssen, um eine gewisse mechanische Stabilität für das beispielsweise nachfolgende Handling zu gewährleisten. In der Regel weisen diese eine Schichtdicke von mindestens 100 ym auf. Dies hat den Nachteil, dass die Wärmeabführung im
Vergleich zu dünneren Konversionselementen deutlich reduziert ist. Die Wärmeabführung ist allerdings sehr wichtig für
Hochleistungsanwendungen, weil große Mengen an Wärme während des Betriebs des optoelektronischen Bauelementes infolge der Stokes-Wärme oder des Verlustes durch die Quanteneffizienz des Konversionselements von kleiner 100 % oder durch
Absorptionsverluste erzeugt werden.
Eine Aufgabe der Erfindung ist es, die oben beschriebenen Nachteile zu überwinden und ein verbessertes
optoelektronisches Bauelement anzugeben. Insbesondere soll das optoelektronische Bauelement stabil gegenüber hohen
Temperaturen, Feuchtigkeit und Strahlung sein. Ferner ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Bauelements bereitzustellen, das ein optoelektronisches Bauelement mit verbesserten Eigenschaften herstellt .
Diese Aufgaben werden durch ein optoelektronisches Bauelement gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen und/oder Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Ferner werden diese Aufgaben durch ein Verfahren zur Herstellung eines
optoelektronischen Bauelements gemäß dem Anspruch 18 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und/oder Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand des abhängigen Anspruchs 19.
In zumindest einer Ausführungsform weist das
optoelektronische Bauelement eine Halbleiterschichtenfolge auf. Die Halbleiterschichtenfolge weist einen aktiven Bereich auf. Der aktive Bereich emittiert im Betrieb des
optoelektronischen Bauelements über eine
Hauptstrahlungsaustrittsfläche Strahlung. Das
optoelektronische Bauelement weist ein Konversionselement auf. Insbesondere sind ein Konversionselement und die
Halbleiterschichtenfolge direkt miteinander verbunden. Das Konversionselement ist freitragend und im Strahlengang der Halbleiterschichtenfolge angeordnet. Das Konversionselement weist ein Substrat und eine erste Schicht auf. Die erste Schicht ist insbesondere nachfolgend dem Substrat angeordnet. Insbesondere ist die erste Schicht der
Halbleiterschichtenfolge nachgeordnet, wobei das Substrat der ersten Schicht nachgeordnet ist. Alternativ kann das Substrat der Halbleiterschichtenfolge nachgeordnet sein, wobei die erste Schicht dem Substrat nachgeordnet ist. Die erste
Schicht umfasst zumindest ein Konversionsmaterial, das in einem Matrixmaterial eingebettet ist. Das Matrixmaterial ist zumindest ein kondensiertes Sol-Gel-Material . Das Sol-Gel- Material ist aus folgender Gruppe ausgewählt: Wasserglas, Metallphosphat, Aluminiumphosphat, Monoaluminiumphosphat , modifiziertes Monoaluminiumphosphat, Alkoxytetramethoxysilan, Tetraethylorthosilikat , Methyltrimethoxysilan,
Methyltriethoxysilan, Titanalkoxid, Kieselsol, Metallalkoxid, Metalloxan, Metallalkoxan . Das Sol-Gel-Material weist einen Anteil zwischen 10 und 70 Vol% in der ersten Schicht auf. Insbesondere ist dieser Volumenanteil, auf das Gesamtvolumen aus Sol-Gel-Material und Konversionsmaterial und
gegebenenfalls Härter, Füller, oder andere feste Zusätze, aber ohne gegebenenfalls entstehende Poren bezogen. Das
Substrat ist frei von dem Sol-Gel-Material und dem
Konversionsmaterial. Das Substrat ist zur mechanischen
Stabilisierung der ersten Schicht eingerichtet. Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das
optoelektronische Bauelement eine Halbleiterschichtenfolge auf. Die Halbleiterschichtenfolge basiert bevorzugt auf einem III-V-Verbindungshalbleitermaterial . Das Halbleitermaterial kann bevorzugt auf einem Nitridverbindungshalbleitermaterial basieren. "Auf einem Nitridverbindungshalbleitermaterial basierend" bedeutet im vorliegenden Zusammenhang, dass die Halbleiterschichtenfolge oder zumindest eine Schicht davon ein III-Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial, vorzugsweise InxAlyGa]__x_yN, umfasst, wobei 0 < x < 1, 0 < y < 1 und x + y < 1. Dabei muss dieses Material nicht zwingend eine mathematisch exakte Zusammensetzung nach obiger Formel aufweisen. Vielmehr kann es einen oder mehrere Dotierstoffe sowie zusätzliche Bestandteile aufweisen, die die charakteristischen physikalischen Eigenschaften des
InxAlyGa]__x_yN-Materials im Wesentlichen nicht ändern. Der
Einfachheit halber beinhaltet obige Formel jedoch nur die wesentlichen Bestandteile des Kristallgitters (In, AI, Ga, N) , auch wenn diese teilweise durch geringe Mengen weiterer Stoffe ersetzt sein können.
Das optoelektronische Bauelement beinhaltet einen aktiven Bereich mit mindestens einem pn-Übergang und/oder mit einer oder mit mehreren Quantentopfstrukturen . Im Betrieb des optoelektronischen Bauelements wird in dem aktiven Bereich eine elektromagnetische Strahlung erzeugt. Eine Wellenlänge oder ein Wellenlängenmaximum der Strahlung liegt bevorzugt im ultravioletten und/oder sichtbaren Bereich, insbesondere bei Wellenlängen zwischen einschließlich 380 nm und 680 nm, zum Beispiel zwischen einschließlich 430 nm und 470 nm.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform handelt es sich bei dem optoelektronischen Bauelement um eine Leuchtdiode, kurz LED, oder eine Laserdiode. Das Bauelement ist dazu eingerichtet, Strahlung mit einer dominanten Wellenlänge aus dem UV, blauen, grünen, gelben, orangen, roten und/oder nahen IR- Spektralbereich zu emittieren. Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das
optoelektronische Bauelement ein Konversionselement auf. Das Konversionselement ist dazu eingerichtet, die von der
Halbleiterschichtenfolge emittierte Strahlung zumindest teilweise in eine Sekundärstrahlung umzuwandeln. Insbesondere weist die Sekundärstrahlung eine andere, meist längere, Wellenlänge als die Wellenlänge der von der
Halbleiterschichtenfolge emittierten Strahlung auf. Das Konversionselement ist freitragend ausgeformt. Mit freitragend wird hier und im Folgenden bezeichnet, dass das Konversionselement sich selbst trägt und keine weiteren
Elemente zur Stützung erforderlich sind. Das
Konversionselement kann im sogenannten Pick-and-Place-Prozess ohne weitere Stützung auf die Halbleiterschichtenfolge aufgebracht werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das
Konversionselement ein Substrat auf. Bei dem Substrat kann es sich um Glas, Glaskeramik, Saphir oder eine transparente oder transluzente Keramik handeln. Vorzugsweise ist das Substrat Glas oder Saphir. Als Glas kann beispielsweise ein
Borosilikatglas , wie beispielsweise D263, D263T oder D263TECO von der Firma Schott oder beispielsweise ein Alumosilikatglas wie beispielsweise AS87 eco von der Firma Schott verwendet werden. Alternativ können auch glasartige Materialien, polykristallines Aluminiumoxid oder andere transparente oder transluzente Materialien verwendet werden. Vorzugsweise sollte das Substrat eine gute Stabilität gegenüber Feuchte, Strahlung und/oder hohen Temperaturen aufweisen. Gute
Stabilität gegenüber Feuchtigkeit bedeutet beispielsweise, dass sich nach einem Feuchtetest bei 85 °C und 85% relativer Luftfeuchtigkeit nach 1000 Stunden keine signifikanten
Änderungen der mechanischen und optischen Eigenschaften ergeben, beispielsweise sollte sich keine Trübung oder
Verfärbung zeigen, sich die Transmission um weniger als 1% des Startwerts ändern und sich keine Aufwachsungen wie
Kristalle auf der Oberfläche befinden. Gleiches gilt auch bezüglich Stabilität gegenüber Strahlung (beispielsweise bei Bestrahlung mit blauem Licht mit 3 W/mm2 für 1000 h) und Temperatur (beispielsweise 150 °C für 1000 h) . Das Substrat kann mittels eines Klebers auf die
Hauptstrahlungsaustrittsflache der Halbleiterschichtenfolge aufgebracht werden. Vorzugsweise wird jedoch die erste
Schicht auf der Hauptstrahlungsaustrittsflache der
Halbleiterschichtenfolge, insbesondere mittels eines Klebers, aufgebracht, da dadurch die entstehende Wärme besser aus der ersten Schicht abgeführt werden kann.
Das Substrat kann weitere Beschichtungen aufweisen, die zur Verbesserung der Stabilität, beispielsweise gegenüber
Feuchte, beitragen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das Substrat strukturiert. Die Strukturierung kann mittels eines Lasers, durch Aufbringen von Mikrolinsen auf der Oberfläche des
Substrats oder durch Aufbringen von photonischen
Kristallgittern auf der Oberfläche erzeugt werden. Die
Oberfläche des Substrates kann modifiziert werden,
beispielsweise durch Aufrauen, Sandstrahlen, Polieren,
Schleifen, Ätzen oder Nanolithografie . Es kann auch ein
Saphirsubstrat mit spezieller Oberflächenstruktur verwendet werden (PSS, patterned sapphire Substrate) .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Substrat eine Auskoppelfolie oder Auskoppelstruktur auf. Dadurch kann die Ein- bzw. Auskopplung von Strahlung erhöht werden und damit die Effizienz des optoelektronischen Bauelements gesteigert werden. Zum anderen kann die Auskoppelfolie oder
Auskoppelstruktur zur Formung des Strahls der von dem
Bauelement emittierten Strahlung dienen und den Strahl in eine bestimmte Richtung lenken. Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Substrat Beschichtungen auf. Die Beschichtung kann beispielsweise eine Streuschicht aufweisen, um die Lichtauskopplung zu erhöhen. Die Beschichtung kann auch als Verkapselung genutzt werden. Die Verkapselung soll gegen Umwelteinflüsse, wie
beispielsweise Feuchtigkeit, schützen.
Bei Anwendung des Bauelements als Blitzlicht ist es
zusätzlich möglich, die Oberfläche des Substrates derart zu ändern, beispielsweise durch Streuschichten oder durch
Schleifen des Konversionselements, um einen gelblich
erscheinenden optischen Eindruck des Konversionselements oder andersartigen Farbeindruck, der beispielsweise durch die verwendeten Konversionsmaterialien hervorgerufen wird, zu minimieren oder zu vermeiden.
Es kann eine weitere Schutzschicht oder Verkapselung
aufgebracht werden um das Konversionsmaterial und/oder
Matrixmaterial zu schützen und die Lebensdauer zu erhöhen. Dies kann insbesondere von Vorteil sein, wenn durch eine
Bearbeitung wie beispielsweise Schleifen oder Polieren das Konversionsmaterial und/oder Matrixmaterial beschädigt wurde. Wenn beispielsweise als Konversionsmaterial ein Leuchtstoff verwendet wird, der beispielsweise eine Schutzschicht auf den Partikeln besitzt um ihn gegenüber Umwelteinflüssen wie
Feuchtigkeit zu schützen, kann durch die Bearbeitung wie Schleifen oder Polieren diese Schutzschicht beschädigt werden. Dann kann eine weitere Schutzschicht nach Herstellung des Konversionsmaterials aufgebracht werden um die Stabilität zu erhöhen. Die Schutzschicht kann auch nach einem
Vereinzelungsprozess , beispielsweise durch Sägen, aufgebracht werden, um auch die Kanten des Konversionselements zu
schützen. Als Schutzschicht eignen sich beispielsweise aufgedampfte Schichten aus z.B. S1O2 und/oder AI2O3,
insbesondere auch Schichten die mittels Atomlagenabscheidung (ALD, atomic layer deposition) aufgebracht werden, oder auch polymere oder hybridpolymere Schichten beispielsweise aus Ormocer, Polysilazan, Polysiloxan, Silikon, und/oder
Parylene .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Substrat funktionelle Beschichtungen, wie beispielsweise dichroitische Beschichtungen, Interferenzbeschichtungen oder
Antireflexbeschichtungen, auf. Diese Beschichtungen können antireflektierende Eigenschaften oder Filtereigenschaften aufweisen. Zudem kann das Substrat einen dielektrischen
Rückreflektor auf der Oberfläche aufweisen, der der
Hauptstrahlungsaustrittsfläche gegenüberliegt und einen Teil der durch das Substrat gelangten Strahlung rückreflektiert, um damit eine homogenere Kantenemission zu erreichen. Das Substrat kann dielektrische Filter aufweisen, die zumindest einen Teil der Strahlung reflektieren und damit eine
Vollkonversion erzielen können. Das Substrat kann
dielektrische Filter aufweisen, die wellenlängenselektiv reflektieren, beispielsweise bevorzugt einen Teil der blauen Primärstrahlung während die Sekundärstrahlung kaum
reflektiert wird, um einen homogeneren Farbort unter
verschiedenen Winkeln zu erzeugen.
Die hier beschriebenen Veränderungen des Substrats können einzeln oder auch in Kombination erfolgen, sodass sowohl die der Hauptstrahlungsaustrittsfläche zugewandte Substratseite als auch die gegenüberliegende Substratseite gleichzeitig oder einzeln verändert werden können. Die dichroitische Beschichtung kann auf der der ersten
Schicht zugewandten Substratseite aufgebracht sein. Im
Allgemeinen besteht eine dichroitische Beschichtung aus mehreren dünnen Schichten mit Brechungsindexdifferenzen. Hier kann die dichroitische Beschichtung zwei Hauptfunktionen aufweisen, insbesondere wenn sie auf der der ersten Schicht zugewandten Substratseite aufgebracht ist und das Substrat auf die Halbleiterschichtenfolge aufgebracht wird: Sie sorgt zum einen für eine hohe Transmission der eingehenden
Strahlung und zum anderen für eine hohe Reflexion des
umgewandelten Lichts, das aus dem Konversionselements kommt. Beide Effekte erhöhen die Effizienz oder Wirksamkeit. Diese Funktionsweise ist dem Fachmann bekannt und wird daher an dieser Stelle nicht näher erläutert. Wird die erste Schicht auf der Halbleiterschichtenfolge aufgebracht, dann kann die dichroitische Beschichtung auf der der ersten Schicht
abgewandten Substratseite aufgebracht werden, um die
Reflektionen beim Übergang zwischen Substrat und Luft zu reduzieren .
Die oben beschriebene dichroitische Beschichtung kann
alternativ oder zusätzlich auf einer beliebigen weiteren Außenseite des Substrats und/oder auf dessen Kantenseiten angeordnet sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Substrat einen Filter auf, der selektiv Wellenlängen absorbieren kann. Beispielsweise kann das Substratmaterial ein Filterglas sein, beispielsweise ein Kurzpass-, Langpass- oder Bandpassfilter. Dies kann von Vorteil gerade bei einer Anwendung mit
Vollkonversion sein, wenn die erste Schicht auf die
Halbleiterschichtenfolge aufgebracht wird und das Substrat die von der Halbleiterschichtenfolge emittierte und durch die erste Schicht transmittierte Strahlung absorbiert, sodass das von dem Bauelement emittierte Licht nahezu vollständig aus Sekundärstrahlung besteht.
Die hier beschriebenen Oberflächenbehandlungen des Substrats können entsprechend auf die Oberfläche des
Konversionselements angewendet werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das
Konversionselement eine erste Schicht auf. Die erste Schicht kann eine dem Substrat abgewandte Oberfläche aufweisen. Die erste Schicht kann strukturiert sein. Die Strukturierung kann mit den gleichen wie bereits für das Substrat beschriebenen Verfahren durchgeführt werden. Beispielsweise kann die erste Schicht poliert, geschliffen, geätzt und/oder beschichtet werden. Dabei ist vorzugsweise die Oberfläche der ersten Schicht glatt ausgeformt. Dies ist von Vorteil wenn die erste Schicht mittels eines Klebers auf die
Halbleiterschichtenfolge aufgebracht wird. Eine glatte
Oberfläche ermöglicht eine dünne Kleberschicht,
beispielsweise mit einer Schichtdicke von 500 nm bis 15 ym, insbesondere von 1 ym bis 10 ym, idealerweise von 2 ym bis 7 ym. Dies ermöglicht eine gute Wärmeabführung von der ersten Schicht über die Kleberschicht zur Halbleiterschichtenfolge, da die Kleberschicht in der Regel eine niedrige thermische Leitfähigkeit aufweist und dadurch insbesondere bei einer dicken Schicht eine Wärmebarriere darstellt, wodurch die Wärmeabführung aus der ersten Schicht begrenzt und die
Temperatur in der ersten Schicht sehr hoch ist, was wiederum aufgrund thermischen Quenchings zu einer geringeren Effizienz der Konversionsmaterialien und damit zu einer niedrigeren Leuchtdichte des Bauelements führen kann. Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Dicke des
Substrats zwischen 50 ym bis 200 ym, bevorzugt zwischen 100 bis 180 ym. Wenn das Substrat auf die
Halbleiterschichtenfolge aufgebracht wird, sollte das
Substrat sehr dünn ausgeführt werden und eine möglichst hohe thermische Leitfähigkeit besitzen, um die Wärmeabfuhr der in dem Konversionselement erzeugten Wärme zu erhöhen. Sie sollte aber auch dick genug sein, damit das Konversionselement freitragend ist und leicht während der Herstellung gehandhabt werden kann.
Insbesondere weist die erste Schicht eine homogene
Schichtdicke auf, die von maximal 100 ym oder von maximal 90 ym oder von maximal 80 ym oder von maximal 70 ym, besser maximal 60 ym, vorzugsweise maximal 50 ym oder maximal 45 ym oder maximal 40 ym oder maximal 35 ym oder maximal 30 ym oder maximal 25 ym oder maximal 20 ym für Teilkonversion
ausgeformt ist, idealerweise von 20 ym bis 70 ym. Für
Vollkonversion ist die maximale Schichtdicke 200 ym, oder maximal 180 ym, oder maximal 150 ym, oder maximal 130 ym, vorzugsweise maximal 110 ym oder maximal 90 ym oder maximal 80 ym oder maximal 70 ym oder maximal 60 ym oder maximal 50 ym oder maximal 40 ym, idealweise von 30 ym bis 150 ym.
Homogen meint hier und im Folgenden, dass die Schichtdicke eine maximale Abweichung von 20 %, oder 10 %, oder 5 %, oder 3 %, oder 2 % oder 0,5 % von der mittleren Schichtdicke aufweist .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das
Konversionselement ein Konversionsmaterial auf. Alternativ können auch mehr als ein Konversionsmaterial, beispielsweise mindestens zwei Konversionsmaterialien, in dem
Konversionselement vorhanden sein. Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind mindestens zwei verschiedene Konversionsmaterialien in dem Matrixmaterial eingebettet . Das Konversionsmaterial kann aus anorganischen Leuchtstoffen bestehen oder diese umfassen, die beispielsweise aus
folgender Gruppe oder Kombinationen daraus ausgewählt sein können: (Y, Gd, Tb, Lu) 3 (AI , Ga) 5012 : Ce3+, ( Sr, Ca) AlSiN3 : Eu2+, (Sr,Ba,Ca,Mg)2Si5N8:Eu2+, (Ca, Sr, Ba) 2Si04 : Eu2+, -SiA10 : Eu2+, ß-SiA10N:Eu2+, ( Sr, Ca) S : Eu2 , ( Sr, Ba, Ca) 2 ( Si , AI ) 5 (N, 0) 8 : Eu2+, (Ca, Sr) 8Mg (Si04) 4Cl2:Eu2+, (Sr,Ba) Si2N202 : Eu2+ .
Das Konversionsmaterial kann dazu befähigt sein, die
Strahlung der Halbleiterschichtenfolge vollständig zu
absorbieren und mit längerer Wellenlänge zu emittieren. Mit anderen Worten findet hier eine sogenannte Vollkonversion statt, dass also die Strahlung der Halbleiterschichtenfolge gar nicht oder zu weniger als 5 % an der resultierenden
Gesamtstrahlung beiträgt.
Alternativ ist das Konversionsmaterial dazu befähigt, die Strahlung der Halbleiterschichtenfolge teilweise zu
absorbieren, sodass die aus dem Konversionselement
austretende Gesamtstrahlung sich aus der Strahlung der
Halbleiterschichtenfolge und der konvertierten Strahlung zusammensetzt. Dies kann auch als Teilkonversion bezeichnet werden. Die Gesamtstrahlung kann weißes Mischlicht sein. Das Mischlicht kann warmweiß oder kaltweiß sein. Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die erste Schicht eine Schichtdicke zwischen 20 ym und 70 ym für Teilkonversion auf. Alternativ weißt die erste Schicht eine Schichtdicke zwischen 30 ym bis 150 ym für Vollkonversion auf. Zusätzlich kann das Substrat strukturiert werden, beispielsweise
geschliffen oder poliert werden, um im Nachhinein die
Gesamtdicke des Konversionselements anzupassen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform kann das
Konversionselement auch organische Konversionsmaterialien, wie organische Farbstoffe, oder Quantendots aufweisen. Es können mehr als zwei Konversionsmaterialien in dem
Konversionselement vorhanden sein. Damit kann ein Farbort oder der Farbwiedergabeindex optimal angepasst werden. Durch Kombination eines grünen und roten Konversionsmaterials ist es beispielsweise möglich, warmweißes Mischlicht mit einem hohen Farbwiedergabeindex zu erzeugen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die erste Schicht mehrere Teilschichten auf. Mit anderen Worten kann die erste Schicht derart ausgeformt sein, dass die erste Schicht mehrere Konversionsmaterialien aufweist, die in
unterschiedlichen Teilschichten angeordnet sind. Die
Konversionsmaterialien können in gleiche oder
unterschiedliche Matrixmaterialien eingebettet sein. Die Teilschichten können sich in Dicke, Kompaktheit,
Matrixmaterial, Konversionsmaterial, Streuer und/oder
Füllstoffe unterscheiden.
Das Konversionsmaterial kann kugelförmig ausgeformt sein. Damit kann in der ersten Schicht ein hoher Füllgrad an
Konversionsmaterial erreicht werden und damit eine kompakte erste Schichterzeugt werden. Vorzugsweise ist das
Konversionselement dünn ausgeformt. Das Konversionselement weist eine Streuung auf, die aufgrund der Poren und
Brechzahlunterschiede zustande kommt. Die Kompaktheit der ersten Schicht und die
Oberflächenporosität können neben den
Komponentenverhältnissen auch bei der Herstellung durch die Wahl geeigneter Prozessparameter , wie Trocknen, Ausheizen, oder durch die Kontrolle der Feuchtigkeit oder mittels einer Temperaturrampe mit eingestellt werden.
Die Kompaktheit der ersten Schicht kann außerdem durch die Größe und Form der Konversionsmaterialien sowie durch das Verhältnis zwischen Konversionsmaterial und Matrixmaterial beeinflusst werden. Eine möglichst kompakte erste Schicht mit möglichst geschlossener Oberfläche ist von Vorteil, falls die erste Schicht mittels Kleber auf die Halbleiterschichtenfolge aufgebracht wird, damit wenig Kleber in die Poren der ersten Schicht gelangt.
Das Bauelement kann für Bühnenbeleuchtung, Blitzlicht, im Automobilbereich (beispielsweise für Scheinwerfer, Blinker, Bremslichter) , Lampen, Anzeigen, Endoskop,
Geschäftsbeleuchtung und/oder Stadiumbeleuchtung eingesetzt werden .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das
Konversionselement Streupartikel oder Füllstoffe auf. Die Streupartikel oder Füllstoffe können beispielsweise
Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid, Bariumsulfat, Bornitrid, Magnesiumoxid, Titandioxid, Siliziumdioxid, Siliziumnitrid, YAG, Orthosilikat , Zinkoxid oder Zirkoniumdioxid sowie A10N, SiAlON oder Kombinationen oder Derivate davon oder andere keramische als auch glasartige Partikel, Metalloxide oder andere anorganische Partikel sein. Die Streupartikel oder die Füllstoffe können eine unterschiedliche Form aufweisen, beispielsweise kugelförmig, stäbchenförmig oder scheibenförmig, wobei die Partikelgröße zwischen einigen Nanometer bis zu einigen zehn Mikrometer sein kann. Kleinere Partikel können genutzt werden, um die Viskosität der
Suspension einzustellen. Größere Partikel können zur
Herstellung einer kompakten ersten Schicht und/oder zur verbesserten Wärmeabführung, Feuchteresistenz, oder
Dickenhomogenität beitragen. Die Streuung kann verändert und/oder die mechanische Stabilität kann verbessert werden. Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das
Konversionselement Additive auf. Ein Additiv kann Aerosil oder Kieselerde, wie beispielsweise Sipernat, sein. Damit kann die Viskosität der Suspension modifiziert werden und der Anteil zwischen der flüssigen und der festen Komponente eingestellt werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird das
Konversionselement aus mehreren Schichten hergestellt, die in Schichtdicke, Kompaktheit, Matrixmaterial,
Konversionsmaterial, Streuern und/oder Füllstoffen variieren können .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das
Matrixmaterial oder das Konversionselement zusätzlich einen chemischen Härter auf. Durch Zugabe eines chemischen Härters und Aushärten des Matrixmaterials, beispielsweise zwischen einer Temperatur von 150 bis 350 °C für Wasserglas, ist es möglich, ein Konversionselement zu erzeugen, das sehr stabil gegen Feuchtigkeit ist. Insbesondere zeigt dieses
Konversionselement eine hohe Stabilität bei 85 °C, 85 % relative Luftfeuchtigkeit und 1000 Stunden für die Testdauer, was mittels eines Feuchtetests bestimmt wurde. Durch Zugabe des Härters bildet sich neben ggf. entstehendem Alkalicarbonat ein weiteres Nebenprodukt. Im Falle eines Phosphathärters wäre dies ein Alkaliphosphat.
Vorzugsweise wird bei Aluminiumphosphat,
Monoaluminiumphosphat oder modifizierten
Monoaluminiumphosphat kein chemischer Härter zugesetzt. Das hier beschriebene Aluminiumphosphat, Monoaluminiumphosphat oder modifizierte Monoaluminiumphosphat besitzt vorzugsweise ein molares Verhältnis von AI zu P von 1:3 bis 1:1,5 und härtet insbesondere bei Temperaturen zwischen 300 °C und 400 °C. In den Lösungen können weitere Elemente oder Verbindungen enthalten sein, jedoch vorzugsweise max . 1 Mol% an Alkali und Halogenverbindungen .
Als Wasserglas werden aus einer Schmelze erstarrte,
glasartige, also amorphe, wasserlösliche Natrium-, Kalium- und/oder Lithiumsilikate oder ihre wässrigen Lösungen
bezeichnet. Damit unterscheidet sich Wasserglas von einem herkömmlichen Glas insbesondere durch seine Eigenschaften, wie die Porosität. Das für das Matrixmaterial eingesetzte Wasserglas kann zumindest aus Lithiumwasserglas,
Natriumwasserglas, Kaliumwasserglas oder einer Mischung daraus bestehen oder diese Alkaliwassergläser aufweisen. Die Erfinder haben erkannt, dass insbesondere eine Kombination von Lithiumwasserglas und Kaliumwasserglas hervorragende Eigenschaften für das Matrixmaterial aufweist. Vorzugsweise ist das Verhältnis zwischen Lithiumwasserglas und
Kaliumwasserglas zwischen 1:3 bis 3:1. Insbesondere ist das Verhältnis zwischen Lithiumwasserglas und Kaliumwasserglas 1:3, 1:1 oder 3:1, vorzugsweise 1:1.
Die Alkaliwassergläser können beispielweise ein Modul von 1,5 bis 5 besitzen, vorzugsweise ein Modul von 2,5 bis 4,5. Der Begriff Modul ist das molare Verhältnis von S1O2 zu Alkalioxid und dem Fachmann bekannt. Daher wird es an dieser Stelle nicht näher erläutert.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das
Konversionselement ein Matrixmaterial auf. Vorzugsweise sollte reines Matrixmaterial ohne Verunreinigungen, wie beispielsweise Eisen oder anderer transmissionsverringender Stoffe verwendet werden, um Absorptionsverluste zu vermeiden. Als Matrixmaterial kann beispielsweise ein Metallphosphat, wie Aluminiumphosphat, Monoaluminiumphosphat oder ein
modifiziertes Monoaluminiumphosphat, verwendet werden. Es können insbesondere Reagenzien, die zum Beispiel einen oxidierenden Einfluss während der Beschichtung, des Trocknens oder der Aushärtung haben, verwendet werden, um ein
intrinsisches Absorptionsverhalten des Matrixmaterials zu vermeiden, denn das reduziert die Effizienz. Ebenfalls möglich ist eine Temperaturbehandlung in einer definierten Atmosphäre .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das
Konversionsmaterial in dem Matrixmaterial homogen verteilt. Alternativ kann das Konversionsmaterial in dem Matrixmaterial einen Konzentrationsgradienten, beispielsweise in Richtung weg von der Halbleiterschichtenfolge eine Erhöhung der
Konzentration des Konversionsmaterials, aufweisen.
Beispielweise können größere Partikel näher zum Substrat hin und kleinere Partikel an der Oberfläche des
Konversionselements, also von der dem Substrat abgewandten Seite, angeordnet sein. Damit kann die Rückstreuung reduziert werden. Insbesondere kann die Rückstreuung des blauen Lichts, also des von der Halbleiterschichtenfolge emittierten Lichts, reduziert werden. Damit wird der Anteil der blauen Strahlung, der zurück auf die Halbleiterschichtenfolge trifft,
reduziert. Dies kann einen Effizienzvorteil bieten, da in der Regel ein Teil des Lichts in der Halbleiterschichtenfolge bzw. an angrenzenden Schichten, wie beispielsweise einer Verspiegelung, absorbiert wird.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das
Matrixmaterial zumindest ein kondensiertes Sol-Gel-Material auf oder besteht daraus. Sol-Gel-Materialien werden hier und im Folgenden als diejenigen Materialien bezeichnet, die mittels eines Sol-Gel-Prozesses hergestellt sind. Der Sol- Gel-Prozess ist ein Verfahren zur Herstellung von
anorganischen oder hybridpolymeren Materialien aus
Kolloidaldispersionen, den so genannten Solen. Die
Ausgangsmaterialien werden auch als Precursormaterialien bezeichnet. Aus ihnen entstehen in Lösung in einer ersten Grundreaktion feinste Teilchen. Durch die spezielle
Weiterverarbeitung der Sole lassen sich Pulver, Fasern,
Schichten oder Aerogele erzeugen. Dabei ist der wesentliche Grundprozess des Sol-Gel-Prozesses die Hydrolyse der
Precursormaterialien und die Kondensation zwischen den dabei entstehenden reaktiven Spezies. Der Sol-Gel-Prozess ist dem Fachmann hinreichend bekannt und wird an dieser Stelle nicht näher erläutert.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das Sol-Gel- Material aus folgender Gruppe ausgewählt: Wasserglas,
Metallphosphat, Aluminiumphosphat, Monoaluminiumphosphat , modifiziertes Monoaluminiumphosphat, Alkoxytetramethoxysilan, Tetraethylorthosilikat , Methyltrimethoxysilan,
Methyltriethoxysilan, Titanalkoxid, Kieselsol, Metallalkoxid, Metalloxan, Metallalkoxan . Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das
Matrixmaterial einen Anteil von 10 bis 70 Vol% in der ersten Schicht auf. Vorzugsweise ist der Anteil bei 15 bis 50 Vol%, beispielsweise bei 20 bis 40 Vol%.
Optoelektronische Bauelemente, die vorzugsweise kaltweißes Licht emittieren, weisen vorzugsweise ein Sol-Gel-Material mit einem Anteil zwischen 10 und 70 Vol% in der ersten
Schicht auf.
Optoelektronische Bauelemente, die warmweißes Licht
emittieren, weisen vorzugsweise einen Anteil an dem Sol-Gel- Material in der ersten Schicht zwischen 20 bis 40 Vol% auf. Der Anteil des Sol-gel-Materials hängt unter anderem von der Partikelgröße und vom Aktivatorgehalt des
Konversionsmaterials ab und ist nicht auf die angegebenen Werte beschränkt.
Durch den Anteil des Sol-Gel-Materials in dem
Konversionselement kann eine sehr gute Feuchtestabilität erzeugt werden und damit ein stabiles optoelektronisches Bauelement erzeugt werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das Substrat frei von dem Sol-Gel-Material oder Matrixmaterial. Mit anderen Worten weist das Substrat kein Sol-Gel-Material als
Bestandteil auf. Damit ist aber nicht gemeint, dass die
Oberflächen des Substrats frei von dem Sol-Gel-Material des Konversionselements sind. Beispielsweise kann das
Konversionselement oder die erste Schicht, welche das Sol- Gel-Material aufweist, auf das Substrat direkt appliziert werden, wobei dabei eine direkte Verbindung zwischen Substrat und Sol-Gel-Material erfolgt. Das Substrat dient dabei zur mechanischen Stabilisierung der ersten Schicht, sodass das Konversionselement freitragend ausgeformt ist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das Matrixmaterial aus einer Metallphosphatlösung, beispielsweise eine Lösung aus Aluminiumphosphat, Monoaluminiumphosphat
odermodifiziertem Monoaluminiumphosphat hergestellt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das Matrixmaterial ein kondensiertes Sol-Gel Material, das aus einer
Aluminiumphosphatlösung oder aus einer
Monoaluminiumphosphatlösung oder aus einer modifizierten Monoaluminiumphosphatlösung hergestellt wurde.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das Matrixmaterial ein kondensiertes Sol-Gel Material, das aus einer Lösung aus Wasserglas oder aus einer Mischung einer Lösung von mehreren Wassergläsern und gegebenenfalls zusätzlichen Härtern hergestellt wurde.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das freitragende Konversionselement mittels eines Klebers auf der
Hauptstrahlungsaustrittsfläche angeordnet. Mit
Hauptstrahlungsaustrittsfläche ist die Fläche der
Halbleiterschichtenfolge gemeint, die der Wachstumsrichtung der Halbleiterschichtenfolge senkrecht angeordnet ist und dem Konversionselement zugewandt ist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird das
Konversionselement mittels eines Klebers auf die
Hauptstrahlungsaustrittsfläche geklebt. Das Kleben kann mittels eines anorganischen oder organischen Klebers
erfolgen. Die Kleberschicht sollte möglichst dünn, beispielsweise mit einer Schichtdicke von 500 nm bis 15 ym, insbesondere von 1 ym bis 10 ym, idealerweise von 2 ym bis 7 ym ausgeformt sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Kleber ein Silikon und das freitragende Konversionselement frei von dem Silikon .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das
Konversionselement mittels eines Klebers auf der
Hauptstrahlungsaustrittsfläche angeordnet wobei das
Konversionselement mit der Seite der ersten Schicht
aufgeklebt wird.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das
Konversionselement mittels eines Klebers auf der
Hauptstrahlungsaustrittsfläche angeordnet wobei die Seite de Substrats, die nicht mit der ersten Schicht beschichtet ist, aufgeklebt wird.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die erste Schicht mittels eines Klebers auf der Hauptstrahlungsaustrittsfläche angeordnet, und wobei die erste Schicht direkt auf dem
Substrat angeordnet ist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform emittiert das
optoelektronische Bauelement im Betrieb Strahlung mit einer Farbtemperatur zwischen 2500 K bis 4500 K. Zusätzlich kann der Farbwiedergabeindex CRI zwischen 70 und 100 sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das
optoelektronische Bauelement im Betrieb Strahlung mit einer Farbtemperatur zwischen 4500 K bis 8000 K auf. Zusätzlich kann das optoelektronische Bauelement einen
Farbwiedergabeindex CRI zwischen 70 und 100 aufweisen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das kondensierte Sol-Gel-Material einen Anteil zwischen 20 und 50 Vol% in der ersten Schicht auf. Ein optoelektronisches Bauelement, das vorzugsweise warmweißes Licht emittiert, weist vorzugsweise einen Anteil zwischen 20 bis 40 Vol% auf. Der Anteil der Volumenprozente bezieht sich hier auf den Gesamtanteil der ersten Schicht.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das
Konversionselement anorganisch. Mit anderen Worten weist das Konversionselement nur anorganische Bestandteile auf und ist frei von organischen Materialien. Beispielsweise weist das Konversionselement kein Silikon auf.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind in dem
Konversionselement mehrere Konversionsmaterialien enthalten um den Farbort oder CRI einzustellen. Durch Kombination beispielsweise eines grünen und roten Konversionsmaterials kann warmweißes oder kaltweißes Licht, insbesondere mit einem hohen CRI erzeugt werden. Durch die Verwendung von zwei Konversionsmaterialarten kann das Emissionsspektrum entsprechend angepasst werden und ein gewünschter CRI und R9-Wert erhalten werden. Gewöhnlich weist das Konversionsmaterial Partikel auf, die eine
unterschiedliche Partikelgrößenverteilung aufweisen. Bei Verwendung von mehreren Konversionsmaterialien hat sich herausgestellt, dass die entsprechende Anpassung der
Partikelgröße entscheidend sein kann, um eine möglichst dichte Packung zu erzeugen und damit eine kompakte erste Schicht mit einer guten thermischen Leitfähigkeit zu
erhalten. Alternativ können auch Partikel eines
Konversionsmaterials mit unterschiedlichen Größen vermischt werden um eine dichte Packung zu erzeugen.
Durch Sedimentation der Konversionsmaterialien kann ein
Schichteffekt erzeugt werden. Dabei kann die unterschiedliche Sedimentationsgeschwindigkeit der Konversionsmaterialien ausgenutzt werden. Die unterschiedliche
Sedimentationsgeschwindigkeit resultiert aufgrund der unterschiedlichen Partikelgröße, Form und/oder Dichte des Konversionsmaterials. Eine derartige Anordnung kann zu einer besseren Wärmeabführung, zu einem reduzierten
Intensitätsquenchen, beispielsweise eines rot emittierenden Konversionsmaterials, oder zu einer Veränderung des CRI oder R9-Wertes führen. Dies kann durch eine unterschiedliche
Reabsorption der Konversionsmaterialien verursacht sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind lateral
strukturierte Schichten erzeugt, die in Bezug auf Dicke, Kompaktheit, Matrixmaterial, Konversionsmaterial, Streuer und/oder Füllstoff variieren können.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform kann nach dem
Aufbringen des Konversionselements auf die
Hauptstrahlungsaustrittsfläche das Substrat entfernt werden. Das Entfernen kann beispielsweise mittels Liftoff erfolgen oder durch andere Prozesse, beispielsweise durch chemisches Auflösen oder durch einen mechanischen oder thermischen
Abtrag. Alternativ kann statt Liftoff auch eine Opferschicht zwischen Substrat und erster Schicht verwendet werden, wobei die Opferschicht beispielsweise chemisch, thermisch, oder durch Strahlung derart modifiziert wird, dass eine Entfernung des Substrats möglich ist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird ein Substrat mit einem thermischen Expansionskoeffizienten derart verwendet, dass das Konversionselement und das Substrat einen geringen Verzug nach dem Aushärten während der Herstellung durch
Temperaturänderung aufweist. Das Vereinzeln kann mittels Sägen, beispielsweise mittels Diamantsäge, mittels
Laserschneiden, mittels Anritzen und Brechen oder mit dem sogenannten „Stealth Dicing" erfolgen. Der
Ausdehnungskoeffizient des Substrates liegt beispielsweise bei 4*10"6 1/K bis 11*10"6 1/K, vorzugsweise bei 5*10"6 1/K bis 10*10~6 1/K für einen Temperaturbereich von 20-300°C.
Die Erfinder haben herausgefunden, dass durch die Kombination der hier beschriebenen Halbleiterschichtenfolge und dem
Konversionselement ein Bauelement bereitgestellt werden kann, das eine hohe Leuchtdichte mit einem hohen
Farbwiedergabeindex aufweist. Im Vergleich zu herkömmlichen optoelektronischen Bauelementen, die Silikon als
Matrixmaterial in dem Konversionselement aufweisen, weisen die hier beschriebenen anorganischen Matrixmaterialien eine hohe thermische Leitfähigkeit, eine hohe Temperaturstabilität und eine hohe Stabilität gegenüber Strahlung auf. Die erste Schicht kann ähnlich dünn, ggf. sogar dünner ausgeformt werden verglichen mit herkömmlichen Konversionselementen, die ein Silikon als Matrixmaterial aufweisen. Dies ist möglich, da das Matrixmaterial hier ein kondensiertes Sol-Gel-Material ist, das typischerweise eine geringere Viskosität im
Vergleich zu Silikon aufweist und damit ein höherer
Konversionsmaterialanteil während der Herstellung eingebracht werden kann. Zudem schrumpft das kondensierte Sol-Gel- Material während der Herstellung, hauptsächlich durch den Entzug des Lösemittels, sodass mehr Kompaktheit resultiert. Zudem ist die hier beschriebene erste Schicht auf einem
Substrat angeordnet, um damit eine mechanische Stabilisierung eines freitragenden Konversionselements zu erzeugen. Es kann damit leicht im Pick-and-Place-Prozess auf der
Hauptstrahlungsaustrittsfläche der Halbleiterschichtenfolge angeordnet werden. Die Anordnung des Konversionselements kann direkt auf der Halbleiterschichtenfolge sein. Alternativ können zwischen dem Konversionselement und der
Hauptstrahlungsaustrittsfläche weitere Schichten oder
Elemente, wie beispielsweise der Kleber, eine
Passivierungsschicht , und/oder eine Verkapselung, angeordnet sein .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist zwischen der
Hauptstrahlungsaustrittsfläche und dem Substrat die erste Schicht angeordnet. Mit anderen Worten wird hier das
Konversionselement über die erste Schicht auf die
Hauptstrahlungsaustrittsfläche aufgeklebt. Diese Ausrichtung des Konversionselementes ist bevorzugt, da dadurch das
Konversionsmaterial in der ersten Schicht möglichst nahe an der Hauptstrahlungsaustrittsfläche angeordnet ist und die in der ersten Schicht entstehende Wärme gut über die
Hauptstrahlungsaustrittsfläche abgeleitet werden kann, wodurch die Effizienz und/oder Lebensdauer steigt.
Alternativ kann zwischen der Hauptstrahlungsaustrittsfläche und der ersten Schicht das Substrat angeordnet sein. Mit anderen Worten wird hier das Konversionselement über
diejenige Substratseite auf die
Hauptstrahlungsaustrittsfläche aufgeklebt, die nicht mit der ersten Schicht beschichtet ist. Das hier beschriebene anorganische Konversionselement kann bei höheren Betriebsströmen als Konversionselemente, die organische Materialien aufweisen, betrieben werden. Zudem weisen diese Konversionselemente eine höhere Leuchtdichte und höheren Lichtstrom auf und können einen hohen
Farbwiedergabeindex (CRI) besitzen.
Vorzugsweise sollte das Konversionselement sehr dünn sein, hochgefüllt mit dem Konversionsmaterial und anorganisch ausgeformt sein. Das Substrat kann transmissiv (transparent oder transluzent) ausgeformt sein. Damit wird hier und im Folgenden ein Substrat bezeichnet, das eine interne
Transmission von > 90 %, vorzugsweise > 95 %, besonders bevorzugt > 99 % zumindest in Bezug auf die Primär- und Sekundärwellenlängen aufweist. Interne Transmission meint hier die Transmission ohne Reflektion an den Oberflächen (Fresnel-Reflektion) .
Der Kleber kann zudem das gleiche Material wie die hier beschriebenen Matrixmaterialien für das Konversionselement sein. Alternativ kann der Kleber ein Glas, insbesondere ein niedrigschmelzendes Glas, oder ein Polymer sein. Der Kleber kann Füllstoffe aufweisen. Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird das
Konversionsmaterial und/oder das Matrixmaterial auf dem
Substrat mittels Rakeln, Siebdruck, Schablonendruck,
Dispensen, Sprühbeschichtung, Spin Coating,
elektrophoretischer Abscheidung oder durch eine Kombination dieser verschiedenen Methoden erzeugt.
Durch die hier verwendeten optoelektronischen Bauelemente ergeben sich zahlreiche Vorteile: Ein optoelektronisches Bauelement kann mit einem hohen
Farbwiedergabeindex bei signifikant höherer
Betriebsstromdichte bereitgestellt werden verglichen mit Konversionselementen, die Silikon als Matrixmaterial
aufweisen. Es können Hochleistungswarmweiße und -kaltweiße optoelektronische Bauelemente zur Verfügung gestellt werden. Zudem können die optoelektronischen Bauelemente für andere Farborte oder für Vollkonversionsanwendungen eingesetzt werden. Die Anpassung der Farborte und der
Farbwiedergabeindex der emittierenden Strahlung für
Hochleistungsanwendungen, die beispielsweise bei keramischen Konvertern nicht möglich ist, kann hier erfolgen. Eine höhere Leuchtdichte und ein höherer Lichtstrom pro Chipfläche verglichen mit optoelektronischen Bauelementen, die Silikon als Matrixmaterialien aufweisen, kann zur Verfügung gestellt werden. Eine höhere Betriebsleistung durch die bessere
Wärmeabführung kann im Vergleich zu organischen
Matrixmaterialien, wie Silikon, verwendet werden. Zudem können diese optoelektronischen Bauelemente bei höheren
Betriebstemperaturen betrieben werden, verglichen mit Silikon als Matrixmaterial, da herkömmliche Bauelemente mit Silikon als Matrixmaterial bereits bei 160 bis 180 °C degradieren. Zudem können mehrere optoelektronische Bauelemente
gleichzeitig hergestellt werden. Das senkt die
Produktionskosten und -zeit.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Bauelements. Dabei wird vorzugsweise das hier beschriebene optoelektronische Bauelement mit dem Verfahren erzeugt. Dabei gelten alle Ausführungen und
Definitionen für das optoelektronische Bauelement auch für das Verfahren und umgekehrt. Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Verfahren die folgenden Schritte auf:
A) Bereitstellen einer Halbleiterschichtenfolge mit einem aktiven Bereich, der zumindest über eine
Hauptstrahlungsaustrittsfläche in Betrieb Strahlung
emittiert,
B) Aufbringen eines Konversionselements zumindest auf die Hauptstrahlungsaustrittsfläche, das freitragend ist und vor dem Aufbringen wie folgt hergestellt wird:
Bl) Einbringen von zumindest einem Konversionsmaterial in ein Matrixmaterial zur Erzeugung einer Dispersion, wobei das Matrixmaterial zumindest eine Lösung eines Sol-Gel-Materials aufweist, das aus folgender Gruppe ausgewählt ist:
Wasserglas, Metallphosphat, Aluminiumphosphat,
Monoaluminiumphosphat , modifiziertes Monoaluminiumphosphat , Alkoxytetramethoxysilan, Tetraethylorthosilikat ,
Methyltrimethoxysilan, Methyltriethoxysilan, Titanalkoxid, Kieselsol, Metallalkoxid, Metalloxan, Metallalkoxan,
B2) Aufbringen einer Dispersion auf ein Substrat zur
Erzeugung einer ersten Schicht, wobei das Substrat frei von dem Sol-Gel-Material und dem Konversionsmaterial ist und zur mechanischen Stabilisierung dient,
B3) Erhitzen des Substrats und der ersten Schicht auf maximal 500 °C oder 350 °C, und
B4) gegebenenfalls Glätten einer dem Substrat abgewandten Oberfläche der ersten Schicht. Der Schritt B) kann beispielsweise mittels Rakeln, Siebdruck, Schablonendruck, Dispensen, Sprühbeschichtung, Spincoaten oder Tauchbeschichtung erfolgen. Als Dispersion wird hier insbesondere eine homogene Mischung aus zumindest zwei
Stoffen bezeichnet. Das Glätten kann beispielsweise durch Polieren oder Schleifen erfolgen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform erfolgt nach Schritt B3) oder B4) ein zusätzlicher Schritt B5) : Vereinzeln des Substrats und der ersten Schicht zur Erzeugung einer Mehrzahl von Konversionselementen, wobei zumindest ein
Konversionselement auf die Hauptstrahlungsaustrittsfläche angeordnet wird. Um eine kompakte erste Schicht zu erzeugen, kann es von
Vorteil sein, die erste Schicht in mehr als einem Schritt zu erzeugen. Beispielsweise kann die erste Schicht mehrere
Teilschichten aufweisen, die nacheinander erzeugt werden und damit eine geringere Schichtdicke aufweisen und kompakter hergestellt werden können als eine einzelne erste Schicht.
Das Trocknen und Aushärten kann zwischen den einzelnen
Herstellungsschritten des Aufbringens der Teilschichten erfolgen. Da das Konversionselement eine gewisse Porosität hat, können in die Poren ein Material, beispielsweise ein Polymer, wie Silikon oder Polysilazan, oder generell ein Material, das eine geringe Lichtabsorption im
Wellenlängenbereich der Anregungswellenlänge oder des
konvertierten Lichts aufweist, eingebracht werden.
Es kann zusätzlich eine Beschichtung auf dem
Konversionselement aufgebracht werden, um die Poren des
Konversionselements zu schließen. Die Beschichtung kann das gleiche Matrixmaterial aufweisen. Die Beschichtung kann zudem einen Füllstoff aufweisen. Zusätzlich oder alternativ können die Kanten des Konversionselements beschichtet werden, beispielsweise mittels Molding oder Casting. Dazu kann beispielsweise Silikon mit Titandioxidpartikel an den Kanten des Konversionselements angebracht werden.
Zwischen dem Substrat und der ersten Schicht können weitere Schichten angeordnet sein, beispielsweise Schutzschichten, die das Substrat vor einem harten Konversionsmaterial
schützen können, um zu vermeiden dass das Substrat bei der Beschichtung beschädigt wird und sich beispielsweise Kratzer, Risse, oder Mikrorisse bilden. Eine Schutzschicht kann beispielsweise aus Aluminiumoxid oder Siliziumdioxid sein.
Die laterale Ausdehnung des Konversionselements kann
beispielsweise 1 mm x 1 mm oder ungefähr 1,3 mm x 1,5 mm sein. Im Prinzip sind aber auch andere Dimensionen möglich. Die Gesamtdicke des Konversionselements kann zwischen 30 ym und 2 mm, bevorzugt zwischen 50 ym und 500 ym, besonders bevorzugt zwischen 100 ym und 250 ym liegen.
Zudem kann das Konversionselement Bereiche aufweisen, in denen Aussparungen vorliegen, um beispielsweise beim
Anbringen des Konversionselements auf der
Halbleiterschichtenfolge ein Bondpad freizulassen, über das die Halbleiterschichtenfolge elektrisch kontaktiert wird. Dieser Bereich kann nachträglich erzeugt werden. Das Erzeugen kann mechanisch, beispielsweise durch Sägen oder
Laserschneiden erfolgen.
Die Erfindung betrifft ferner ein Konversionselement. Dabei weist vorzugsweise das hier beschriebene optoelektronische Bauelement das Konversionselement auf. Dabei gelten alle Ausführungen und Definitionen für das optoelektronische
Bauelement auch für das Konversionselement und umgekehrt. Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das
Konversionselement freitragend und gegebenenfalls im
Strahlengang der Halbleiterschichtenfolge angeordnet. Das freitragende Konversionselement weist ein Substrat und eine erste Schicht auf, wobei die erste Schicht zumindest ein Konversionsmaterial aufweist, das in einem Matrixmaterial eingebettet ist, wobei das Matrixmaterial zumindest ein kondensiertes Sol-Gel Material aufweist, das aus folgender Gruppe ausgewählt ist: Wasserglas, Metallphosphat,
Monoaluminiumphosphat , Aluminiumphosphat, modifiziertes
Monoaluminiumphosphat, Alkoxytetramethoxysilan,
Tetraethylorthosilikat , Methyltrimethoxysilan,
Methyltriethoxysilan, Titanalkoxid, Kieselsol, Metallalkoxid, Metalloxan, Metallalkoxan, wobei das kondensierte Sol-Gel Material einen Anteil zwischen 10 und 70 Vol% in der ersten Schicht aufweist, wobei das Substrat frei von dem Sol-Gel
Material und dem Konversionsmaterial ist und zur mechanischen Stabilisierung der ersten Schicht dient.
Weitere Vorteile, vorteilhafte Ausführungsformen und
Weiterbildungen ergeben sich aus den im Folgenden in
Verbindung mit den Figuren beschriebenen
Ausführungsbeispielen . Es zeigen:
Die Figuren 1A bis 1H jeweils eine schematische Seitenansicht eines optoelektronischen Bauelements gemäß einer
Ausführungsform, die Figuren 2A bis 2D jeweils ein optoelektronisches
Bauelement gemäß einer Ausführungsform, die Figuren 3A, 3B, 3D, 3E und 9A bis 9E jeweils
rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen gemäß einer
Ausführungsform, die Figuren 3C und 3F jeweils eine Oberflächenaufnahme mittels Cyber-Scan-Profilometrie gemäß einer Ausführungsform, die Figur 4 die Temperatur als Funktion der Stromdichte, die Figuren 5A bis 5F ein Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Bauelements gemäß einer Ausführungsform, die Figur 6 ein optoelektronisches Bauelement gemäß einer Ausführungsform, die Figuren 7A bis 7H jeweils Daten von Robustheitstests , und die Figuren 8A bis 8D und 9F optoelektronische Bauelemente gemäß Vergleichsbeispielen oder eines Ausführungsbeispiels. In den Ausführungsbeispielen und Figuren können gleiche, gleichartige oder gleich wirkende Elemente jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen sein. Die dargestellten Elemente und deren Größenverhältnisse untereinander sind nicht als maßstabsgerecht anzusehen. Vielmehr können einzelne Elemente wie zum Beispiel Schichten, Bauteile, Bauelemente und Bereiche zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt werden.
Die Figuren 1A bis 1H zeigen jeweils eine schematische
Seitenansicht eines optoelektronischen Bauelements 100 gemäß einer Ausführungsform. Das optoelektronische Bauelement 100 der Figur 1A weist eine Halbleiterschichtenfolge 1 auf. Die Halbleiterschichtenfolge
1 kann beispielsweise aus InAlGaN sein. Die
Halbleiterschichtenfolge weist einen aktiven Bereich auf, der zumindest über eine Hauptstrahlungsaustrittsfläche 11 im Betrieb Strahlung emittiert. Beispielsweise emittiert die Halbleiterschichtenfolge 1 Strahlung aus dem blauen
Spektralbereich. Direkt auf der
Hauptstrahlungsaustrittsfläche 11 ist ein Konversionselement
2 angeordnet. Alternativ können zwischen dem
Konversionselement 2 und der Halbleiterschichtenfolge 1 weitere Schichten, beispielsweise eine Kleberschicht 3, wie in den Figuren 1D bis IG gezeigt, angeordnet sein.
Das Konversionselement 2 weist eine erste Schicht 22 auf, die auf einem Substrat 21 angeordnet ist. Die Anordnung kann direkt oder indirekt erfolgen. Direkt meint hier, dass keine weiteren Schichten oder Elemente zwischen der ersten Schicht 22 und dem Substrat 21 angeordnet sind (siehe Figur 1B) . Die erste Schicht 22 kann ein Matrixmaterial 221, also ein kondensiertes Sol-Gel-Material , beispielsweise Wasserglas oder Metallphosphat, aufweisen. In dem Matrixmaterial 221 kann zumindest ein Konversionsmaterial 222 eingebettet sein. Es können auch mehr als ein Konversionsmaterial 222 in dem Matrixmaterial 221 eingebettet sein. Als Konversionsmaterial 222 eignen sich jegliche Materialien, die zur Konversion der von der Halbleiterschichtenfolge 1 emittierten Strahlung in Strahlung mit veränderter, meist längerer, Wellenlänge, eingerichtet sind.
Die erste Schicht 22 kann eine dem Substrat 21 abgewandte Oberfläche 8 aufweisen, die strukturiert ist. Die
Strukturierung kann durch Polieren, Schleifen, Ätzen oder durch eine Beschichtung erfolgen.
Wie in Figur IC gezeigt ist, kann das Konversionselement 2 nicht nur eine erste Schicht 22 aufweisen, sondern die erste Schicht 22 kann aus weiteren Teilschichten 4 und 5 gebildet sein. In den Teilschichten 4, 5 können jeweils
Konversionsmaterialien 222, 224 angeordnet sein. Die
Konversionsmaterialien 222, 224 können gleich oder
unterschiedlich sein. Die Konversionsmaterialien 222, 224 sind jeweils in einem Matrixmaterial 221, 223 eingebettet. Das Matrixmaterial 221, 223 kann beispielsweise Wasserglas oder Metallphosphat sein. Das Matrixmaterial 221, 223 der Teilschicht 4 und der Teilschicht 5 können gleich oder unterschiedlich sein. Die Teilschichten 4, 5 können auf dem Substrat 21 angeordnet sein. Das Substrat 21 kann aus Glas, Glaskeramik, Saphir oder transmissiver Keramik sein.
Die Figur 1D zeigt, dass zwischen der
Halbleiterschichtenfolge 1 und dem Konversionselement 2 eine Kleberschicht 3 angeordnet ist.
Wie in Figur IE gezeigt, kann zwischen der
Hauptstrahlungsaustrittsfläche 11 (hier nicht gezeigt) und der ersten Schicht 22 das Substrat 21 angeordnet sein. Das Substrat 21 kann also direkt der Kleberschicht 3 oder der Hauptstrahlungsaustrittsflache 11 nachgeordnet sein.
Alternativ, wie in Figur 1F gezeigt, kann zwischen der
Hauptstrahlungsaustrittsflache 11 (hier nicht gezeigt) und dem Substrat 21 die erste Schicht 22 angeordnet sein. Die erste Schicht 22 kann also direkt der Kleberschicht 3 oder der Hauptstrahlungsaustrittsflache 11 nachgeordnet sein. Die Figur IG zeigt die Anordnung des optoelektronischen
Bauelements 100 in einem Gehäuse 7. Das Gehäuse kann eine Ausnehmung aufweisen, in dem das optoelektronische Bauelement 100 angeordnet ist. Die Ausnehmung kann mit einem Verguss 6, beispielsweise aus Silikon oder einem anderen anorganischen Vergussmaterial, gefüllt sein.
Die Figur 1H zeigt die Anordnung des optoelektronischen
Bauelements 100 in einem Gehäuse 7. Das Gehäuse kann eine Ausnehmung aufweisen, in dem das optoelektronische Bauelement 100 angeordnet ist. Die Ausnehmung kann mit einem Verguss 6, beispielsweise aus Silikon oder einem anderen anorganischen Vergussmaterial, gefüllt sein. Im Gegensatz zur
Ausführungsform der Figur IG ist hier der Verguss 6 nur bis zur Oberkante des Konversionselements gefüllt. Der Verguss 6 kann hier beispielsweise Silikon gefüllt mit T1O2 Partikeln aufweisen .
Die Figuren 2A und 2B zeigen jeweils
rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen eines
Konversionselements 2 gemäß einer Ausführungsform.
Die Figur 2A zeigt ein Glassubstrat 21, auf dem eine erste Schicht 22 angeordnet ist. Die erste Schicht weist Aufrauhungen auf deren Oberfläche 8, die dem Substrat 21 abgewandt ist, auf. Im Vergleich dazu, ist, wie in Figur 2B gezeigt, diese Oberfläche 8 geglättet. Die Glättung kann beispielsweise durch Polieren oder Schleifen erfolgen. Es können damit sehr dünne erste Schichten 22 erzeugt werden, beispielsweise mit einer Schichtdicke von < 50 ym.
Es kann damit ein optoelektronisches Bauelement 100 zur Verfügung gestellt werden, das wie mit einer Silikonmatrix alle Farborte und einen hohen Farbwiedergabeindex aufweist. Im Vergleich zu einer Silikonmatrix kann das Bauelement 100 aber bei hohen Betriebsströmen bzw. -stromdichten und
Temperaturen betrieben werden. Das optoelektronische
Bauelement 100 kann, wie in den Figuren 2C und D gezeigt, auch matrixförmig angeordnet sein. Die laterale Ausdehnung des Konversionselements kann beispielsweise 1 mm x 1 mm oder ungefähr 1,3 mm x 1,5 mm sein.
Die Figuren 3A bis 3F zeigen den Vergleich von
Konversionselementen, die poliert (Figuren 3D bis 3F) oder unpoliert (Figuren 3A bis 3C) sind.
Die Figur 3A zeigt eine rasterelektronenmikroskopische
Aufnahme (REM) , bei dem das Matrixmaterial 221
Aluminiumphosphat ist, wobei die erste Schicht 22 keine polierte Oberfläche aufweist. Die Figur 3B zeigt den
dazugehörigen Querschnitt nach Aufkleben auf eine
Halbleiterschichtenfolge 1 und die Figur 3C die zugehörige Cyber-Scan-Profilometrie .
Im Vergleich dazu zeigt die Figur 3D eine polierte Oberfläche der ersten Schicht 22, bei der das Matrixmaterial 221
Aluminiumphosphat ist, die Figur 3E einen Querschnitt einer polierten ersten Schicht nach Aufkleben auf eine Halbleiterschichtenfolge 1 und die Figur 3F eine Cyber-Scan- Profilometrie . Es ist zu sehen, dass durch die Verwendung einer polierten Oberfläche die Partikel des Konversionsmaterials
angeschliffen werden und damit auch eine Reduzierung der Schichtdicke der Kleberschicht 3 erfolgen kann.
Beispielsweise kann durch das Polieren die Schichtdicke der Kleberschicht 3 von ursprünglich 15 ym, also unpoliert, auf 5 ym reduziert werden und damit die Wärmeabführung erhöht werden, wodurch eine höhere Betriebsstromdichte ermöglicht wird Die Figur 4 zeigt die Konvertertemperatur T in °C gemessen von der der Halbleiterschichtenfolge abgewandten Seite des Konversionselements in Abhängigkeit von der
Betriebsstromdichte I in A / mm^ einer
Halbleiterschichtenfolge 4-1, die lediglich blaues Licht emittiert, eines Konversionselements 4-2, das eine polierte Oberfläche 8 aufweist, eines Konversionselements 4-3, das eine unpolierte Oberfläche 8 aufweist, und als Referenz R ein Konversionselement mit einem Konversionsmaterial 222 in dem Matrixmaterial Silikon.
Aus der Abbildung ist zu erkennen, dass eine signifikante Reduzierung der Konvertertemperatur eines polierten
Konversionsmaterials, in dem hier beispielsweise
Aluminiumphosphat als Matrixmaterial verwendet wird, bei hohen Betriebsströmen von 3 A/mm^ erzeugt werden kann. Das Aufbringen eines Konversionsmaterials auf einem Substrat, insbesondere Glas, ermöglicht die Verwendung von höheren Betriebsströmen und -stromdichten und eines höheren
Lichtstroms pro Chipfläche für warmweiße Anwendungen.
Die Figuren 5A bis 5F zeigen ein Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Bauelements gemäß einer
Ausführungsform. Insbesondere wird hier ein
Konversionselement 2 hergestellt. Dabei wird ein
Konversionsmaterial 222 bereitgestellt und in einem flüssigen Sol-Gel-Material 221 eingebracht. Es wird eine Dispersion erzeugt (siehe Figur 5B) . Diese Dispersion kann auf einem gesäuberten Substrat 21 aufgebracht werden. Das Säubern kann beispielsweise mit einem Lösungsmittel oder mit Ultraschall oder durch eine Plasmabehandlung erfolgen. Der Volumenanteil des Matrixmaterials 221 in der ersten Schicht 22 ist zwischen 10 und 70 Vol%. Das Vermischen zur Herstellung der Dispersion kann mittels Homogenisierung erfolgen. Die Dispersion kann anschließend, wie in Figur 5C gezeigt, mittels Doktorblading auf einem Substrat, beispielsweise auf Glas, aufgebracht werden. Anschließend kann ein Erhitzen, beispielsweise auf 350 °C, erfolgen. Das Erhitzen kann beispielsweise in einem Ofen erfolgen. Gegebenenfalls können anschließend die
Oberflächen des Konversionsmaterials, wie in Figur 2E, geglättet werden. Anschließend kann optional ein Vereinzeln erfolgen, sodass mehrere Konversionselemente, wie in Figur 5F gezeigt, kostengünstig erzeugt werden. Das Vereinzeln kann beispielsweise mittels einer Säge erfolgen.
Die Figur 6 zeigt einen Bereich 6-1 der Oberfläche des
Konversionselements 2, das mit Sandstrahlen behandelt wurde. Damit kann der gelbliche Farbeindruck, den der äußere
Betrachter wahrnimmt, reduziert werden. Zudem kann die
Lichtextraktion verbessert und die Effizienz erhöht werden und/oder die Farborthomogenität über den Winkel verbessert werden .
Die Figuren 7A bis 7H zeigen jeweils verschiedene
Robustheitstests der hier beschriebenen optoelektronischen Bauelemente. Die Figuren 7A, 7C, 7E und 7G zeigen die
Abhängigkeit von Iv in % und der Zeit t in h. Dabei
bezeichnet Iv die Lichtstärke gemessen senkrecht zur
Hauptstrahlungsaustrittsfläche relativ zum Wert bei 0 h. Die Figuren 7B, 7D, 7F und 7H zeigen die Abhängigkeit von Δχ in Einheiten von 0.001 und der Zeit t in h. Dabei bezeichnet Δχ die absolute Veränderung der x-Komponente des Farborts (in der CIE Normfarbtafel) der Gesamtstrahlung des Bauelements gegenüber der x-Komponente bei 0 h.
Als Matrixmaterial 221 wird Aluminiumphosphat verwendet, als grünes Konversionsmaterial 222 LuAG:Ce und als rotes
Konversionsmaterial 224 CaAlSiN:Eu. Das Substrat 21 ist ein Glassubstrat und weist eine Dicke von 170 ym auf. Das Glas ist von der Firma Schott und weist den Handelsnamen D263 auf. Die Tests wurden bei unterschiedlichen Temperaturen und
Betriebsströmen bzw. bei definierter Temperatur und
Luftfeuchtigkeit durchgeführt bei einer Fläche der
Halbleiterschichtenfolge von ca. 1 mm x 1mm. Aus allen
Abbildungen ist zu erkennen, dass die hier beschriebenen optoelektronischen Bauelemente 100 eine hohe Stabilität bei hohen Temperaturen und Betriebsströmen bzw. Temperatur und Luftfeuchtigkeit aufweisen. Die Figuren 8A bis 8D zeigen jeweils Konversionselemente als Vergleichsbeispiele (Figuren 8A bis 8C) und eines
Ausführungsbeispiels (Figur 8D) . Bei dem Konversionselement der Figur 8A wurde Silikon als Matrixmaterial verwendet, das Konversionselement der Figur 8B weist einen Keramikkonverter auf, das Konversionselement der Figur 8C weist als
Matrixmaterial herkömmliches Glas auf und das
Konversionselement der Figur 8D ist das Konversionselement für das hier beschriebene Bauelement mit den hier
beschriebenen kondensierten Sol-Gel-Materialien als
Matrixmaterial 221 (g-grün, y- gelb, r- rot, w -warmweiß) .
Das Bauelement der Figur 8A kann aufgrund des Silikons nicht bei hohen Temperaturen verwendet werden, da Silikon
degradiert. Das Bauelement der Figur 8B kann für
hochleistungsoptoelektronische Bauelemente verwendet werden, jedoch kann keine Mischung von Konversionsmaterialien verwendet und keine warmweißen Bauelemente zur Verfügung gestellt werden. Dadurch ist der Farbwiedergabeindex bei diesen Konversionsmaterialien begrenzt. Bei dem Bauelement der Figur 8C sind hier zwar warmweiße optoelektronische Bauelement herstellbar, aber üblicherweise sind diese im Hinblick auf den Farbwiedergabeindex ebenfalls begrenzt. Das hier erfindungsgemäße optoelektronische Bauelement kann alle diese Nachteile überwinden und zeigt den Vorteil, dass durch die Verwendung des anorganischen kondensierten Sol-Gel- Materials, wie beispielsweise Aluminiumphosphat,
Monoaluminiumphosphat oder modifiziertes
Monoaluminiumphosphat , alle herkömmlichen
Konversionsmaterialien eingemischt werden können und damit ein Bauelement mit einer hohen Leuchtdichte und Stabilität bereitgestellt werden kann.
Im Folgenden werden optoelektronische Bauelemente jeweils gemäß einer Ausführungsform beschrieben. Beispiel 1 :
Aluminiumphosphat6 warmweiß Konverter mit hohem CRI und R9 Es wird eine Suspension aus Aluminiumphosphat mit einer warmweißen Leuchtstoffmischung1 hergestellt. Optional kann die Suspension mit destilliertem Wasser verdünnt werden, um die Viskosität anzupassen. Das fest zu flüssig
Massenverhältnis sollte zischen 1:2 und 1:0,3 insbesondere zwischen 1:1,5 und 1:0,4 im Idealfall soll es 1:0,5 betragen. Die Suspension wird beispielsweise mittels Rakel auf einem Substrat2 aufgetragen. Der Rakelspalt kann zwischen 10 - 200 ym, im speziellen zwischen 30 - 100 ym und im Idealfall zwischen 40 - 80 ym sein. Die Auftragungsgeschwindigkeit wird typischerweise zwischen 1 - 99 mm/sek. variiert. Nach dem
Beschichtungsprozess wird das frisch beschichtete Substrat an normaler Luft, in einem Reinraum oder einem Trockenschrank vorgetrocknet. Die Raumtemperatur und Luftfeuchtigkeit kann zwischen 18 - 50 °C und 0 - 80 g/m3, im speziellen zischen 18 - 30 °C und 0 - 50 g/m3 und im Idealfall zischen 19 - 23 °C und 0 - 30 g/m3 konstant gehalten werden. Nach dem
Vortrocknen wird das Substrat typischerweise mit einem
Diamantschneider in gleich große Teile geschnitten und bei Temperaturen zwischen 150 °C - 450 °C für 10 bis 120 min eingebrannt.
Die Figuren 9A und 9B zeigen zwei exemplarische REM Bilder (Draufsicht) einer Probe mit Aluminiumphosphat und warmweißer Leuchtstoffmischung .
Die Figur 9c zeigt eine exemplarische Seitenansicht einer Probe mit Aluminiumphosphat und warmweißer
Leuchtstoffmischung . H meint Hochspannung, A Arbeitsabstand und V Vergrößerung.
Nach dem Einbrennen werden die Substrate durch einen Polier-, Läpp-, Schleifprozess oder durch eine Kombination der
verschiedenen Verfahren weiter veredelt.
Die Figur 9D zeigt ein exemplarisches REM Bild einer
polierten Aluminiumphosphat warmweiß Beschichtung . Die Figur 9E zeigt ein exemplarisches REM Bild einer
geschliffenen Aluminiumphosphat warmweiß Beschichtung. Nach der finalen Oberflächenbehandlung wird das Substrat
typischerweise mittels Wafer- oder Lasersäge in
beispielsweise 1 mm x 1 mm große Konverter geschnitten
Die Figur 9F zeigt eine Abbildung eines gesägten
Aluminiumphosphat warmweiß Konverters.
Beispiel 2 :
Aluminiumphosphat6 kaltweiß Konverter
Es wird eine Suspension aus Aluminiumphosphat mit einem
Granat Leuchtstoff3 hergestellt. Optional kann die Suspension mit mindestens einem weiteren Leuchtstoff ergänzt werden, um beispielsweise den CRI, den R9, die Emissionsfarbe oder die Farbtemperatur zu variieren. Außerdem kann die Viskosität mittels Zugabe von destilliertem Wasser angepasst werden. Das fest zu flüssig Massenverhältnis kann zischen 1:2 und 1:0,3, im speziellen zwischen 1:1,5 und 1:0,4, im Idealfall 1:0,5, betragen. Die Suspension wird beispielsweise mittels Rakel auf einem Substrat2 aufgetragen. Der Rakelspalt kann zwischen 10 - 200 ym, im speziellen zwischen 30 - 100 ym und im Idealfall zwischen 40 - 80 ym sein. Die
Auftragungsgeschwindigkeit kann zwischen 1 - 99 mm/sek.
variiert werden. Nach dem Beschichtungsprozess wird das frisch beschichtete Substrat an normaler Luft, in einem
Reinraum oder einem Trockenschrank vorgetrocknet. Die
Raumtemperatur und Luftfeuchtigkeit können zwischen 18 - 50 °C und 0 - 80 g/m3, im speziellen zwischen 18 - 30 °C und 0
- 50 g/m3 und im Idealfall zischen 19 - 23 °C und 0 - 30 g/m3 konstant gehalten werden. Nach dem Vortrocknen kann das
Substrat typischerweise mit einem Diamantschneider in gleich große Teile geschnitten und bei Temperaturen zwischen 150 °C
- 450 °C für 10 bis 120 min eingebrannt werden.
Nach dem Einbrennen können die Substrate durch einen Polier-, Läpp-, Schleifprozess oder durch eine Kombination der
verschiedenen Verfahren weiter veredelt werden. Nach der finalen Oberflächenbehandlung kann das Substrat
typischerweise mittels Wafer- oder Lasersäge in
beispielsweise 1 mm x 1mm große Konverter geschnitten werden.
Beispiel 3:
Aluminiumphosphat6 rot Konverter Es wird eine Suspension aus Aluminiumphosphat mit einem nitridischen Leuchtstoff4 hergestellt. Optional kann die Suspension mit mindestens einem weiteren Leuchtstoff ergänzt werden, um beispielsweise den CRI, den R9, die Emissionsfarbe oder die Farbtemperatur zu variieren. Außerdem kann die
Viskosität mittels Zugabe von destilliertem Wasser angepasst werden. Das fest zu flüssig Massenverhältnis kann zischen 1:2 und 1:0,3, im speziellen zwischen 1:1,5 und 1:0,4, im
Idealfall 1:0,5, betragen. Die Suspension wird beispielsweise mittels Rakel auf einem Substrat2 aufgetragen. Der Rakelspalt kann zwischen 10 - 200 ym, im speziellen zwischen 30 - 100 ym und im Idealfall zwischen 30 - 70 ym sein. Die Auftragungsgeschwindigkeit kann typischerweise zwischen 1 - 99 mm/sek. Variiert werden. Nach dem
Beschichtungsprozess wird das frisch beschichtete Substrat an normaler Luft, in einem Reinraum oder einem Trockenschrank vorgetrocknet. Die Raumtemperatur und Luftfeuchtigkeit können zwischen 18 - 50 °C und 0 - 80 g/m3, im speziellen zischen 18 - 30 °C und 0 - 50 g/m3 und im Idealfall zischen 19 - 23 °C und 0 - 30 g/m3 konstant gehalten werden. Nach dem
Vortrocknen kann das Substrat typischerweise mit einem
Diamantschneider in gleich große Teile geschnitten und bei Temperaturen zwischen 150 °C - 450 °C für 10 bis 120 min eingebrannt werden.
Nach dem Einbrennen können die Substrate durch einen Polier-, Läpp-, Schleifprozess oder durch eine Kombination der
verschiedenen Verfahren weiter veredelt werden. Nach der finalen Oberflächenbehandlung kann das Substrat
typischerweise mittels Wafer- oder Lasersäge in
beispielsweise 1 mm x 1 mm große Konverter geschnitten werden .
Beispiel 4 :
Aluminiumphosphat6 Leuchtstoff5 Konverter
Es wird eine Suspension aus Aluminiumphosphat mit einem
Leuchtstoff5 bzw. Konversionsmaterial hergestellt. Optional kann die Suspension mit mindestens einem weiteren Leuchtstoff oder Konversionsmaterial ergänzt werden, um beispielsweise den CRI, die Emissionsfarbe oder die Farbtemperatur zu variieren. Außerdem kann die Viskosität mittels Zugabe von destilliertem Wasser angepasst werde. Das fest zu flüssig Massenverhältnis kann zischen 1:2 und 1:0,3, im speziellen zwischen 1:1,5 und 1:0,4, im Idealfall 1:0,5, betragen. Die Suspension wird beispielsweise mittels Rakel auf einem
Substrat2 aufgetragen. Der Rakelspalt kann zwischen 10 - 200 ym, im speziellen zwischen 30 - 100 ym und im Idealfall zwischen 40 - 80 ym sein. Die Auftragungsgeschwindigkeit kann typischerweise zwischen 1 - 99 mm/sek. variiert werden. Nach dem Beschichtungsprozess wird das frisch beschichtete
Substrat an normaler Luft, in einem Reinraum oder einem
Trockenschrank vorgetrocknet. Die Raumtemperatur und
Luftfeuchtigkeit können zwischen 18 - 50 °C und 0 - 80 g/m3, im speziellen zischen 18 - 30 °C und 0 - 50 g/m3 und im Idealfall zischen 19 - 23 °C und 0 - 30 g/m3 konstant
gehalten werden. Nach dem Vortrocknen kann das Substrat typischerweise mit einem Diamantschneider in gleich große Teile geschnitten und bei Temperaturen zwischen 150 °C - 450 °C für 10 bis 120 min eingebrannt werden.
Nach dem Einbrennen können die Substrate durch einen Polier-, Läpp-, Schleifprozess oder durch eine Kombination der
verschiedenen Verfahren weiter veredelt werden. Nach der finalen Oberflächenbehandlung kann das Substrat
typischerweise mittels Wafer- oder Lasersäge in
beispielsweise 1 mm x 1mm große Konverter geschnitten werden.
1Warmweiß Leuchtstoffmischung für hoch CRI und R9
Anwendungen :
• Granatleuchtstoff (z.B. (Lu, Y, Gd, Tb, Ce) 3 (AI, Ga) 5012, vor allem (Y, Lu, Ce) 3 (AI, Ga) 5012, insbesondere (Lu, Ce) 3 (All- xGax)5012 mit einem Ga Gehalt von 0% <= x <= 60%) mit mindestens einem "258": M2 (AI, Si) 5 ( , 0) 8-artiger Leuchtstoff dotiert mit Eu (M = Ca, Sr, Ba, Mg) oder davon abgeleiteten
Leuchtstoff und/oder
"(S)CASN": Leuchtstoff wie in EP 1696016 AI oder
WO 2005052087 AI beschrieben, deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird, beispielsweise (Sr, Ca) AISi (N, 0) 3 :Eu und/oder
Ein "226" Leuchtstoff mit einem Aktivatorgehalt von >=0.5 %, vor allem >=2%, insbesondere >=3% mit
zweiwertigen Metallen wie insbesondere Sr und/oder Ca, beispielsweise Sr(Sr,Ca) Si2Al2 6 : Eu
Typischerweise wird die Suspension in einem Speedmixer oder Kugelmühle hergestellt Alternative Supstratmaterialien
• Saphir
• (Reflektives ) Metallsubstrat
• Polymerfolie oder -Substrat
• Keramiksubstrat
• Vorbeschichtete Substrate, z.B. Glasssubstrat mit
A1203 Beschichtung
• Vor der Beschichtung kann beispielsweise ein
Plasmaprozess zur Reinigung bzw. Aktivierung der Oberfläche erfolgen Chemische Zusammensetzung eines Granat Leuchtstoffs
• Granatleuchtstoff (z.B. (Lu, Y, Gd, b, Ce) 3 (AI, Ga) 5012, vor allem (Y, Lu, Ce) 3 (AI, Ga) 5012, insbesondere (Lu, Ce) 3 (All- xGax)5012 mit einem Ga Gehalt von 0% <= x <= 60%) Chemische Zusammensetzungen eines nitridischen Leuchtstoffs "258": M2 (AI, Si) 5 ( , 0) 8-artiger Leuchtstoff dotiert mit Eu (M = Ca, Sr, Ba) oder davon abgeleiteter Leuchtstoff, beispielsweise (Sr,Ba,Ca,Mg) 2Si5N8 : Eu
"(S)CASN": Leuchtstoff wie in EP1696016 AI / WO
2005052087 AI beschrieben, beispielsweise
(Sr, Ca) AISi (N, 0) 3 :Eu und/oder
Ein "226" Leuchtstoff mit einem Aktivatorgehalt von >=0.5 %, vor allem >=2%, insbesondere >=3% mit zweiwertigen Metallen wie insbesondere Sr und/oder Ca, beispielsweise Sr (Sr, Ca) Si2Al2N6:Eu
5Leuchtstoffe
• (Y, Gd, Tb, Lu) 3 (Al,Ga)50i2:Ce3+
• (Sr,Ca) AlSiN3:Eu2+
· (Sr,Ba,Ca,Mg)2Si5N8:Eu2+
• (Ca, Sr, Ba) 2Si04 :Eu2+
• -SiA10N:Eu2+
• ß-SiA10N:Eu2+
• (Sr,Ca)S:Eu2
· (Sr,Ba,Ca)2(Si,Al)5(N,0)8:Eu2
• (Ca, Sr) 8Mg (Si04) 4Cl2:Eu2+
• (Sr,Ba) Si2N202 :Eu2+
6Alternative Matrixmaterialien
· Kaliwasserglas mit Aluminiumphosphat Härter
• Lithiumwasserglas
• Mischwasserglas, beispielsweise Lithiumwasserglas :
Kaliumwasserglas mit einem Massenanteil von 1 zu 1 Die in Verbindung mit den Figuren beschriebenen
Ausführungsbeispiele und deren Merkmale können gemäß weiterer Ausführungsbeispiele auch miteinander kombiniert werden, auch wenn solche Kombinationen nicht explizit in den Figuren gezeigt sind. Weiterhin können die in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Ausführungsbeispiele zusätzliche oder alternative Merkmale gemäß der Beschreibung im allgemeinen Teil aufweisen.
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele auf diese beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den
Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist. Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Patentanmeldung 10 2017 104 135.4, deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.
Bezugs zeichenliste
100 optoelektronisches Bauelement
1 Halbleiterschichtenfolge
11 HauptStrahlungsaustrittsfläche
2 Konversionselement
21 Substrat
22 erste Schicht
221 Matrixmaterial
222 Konversionsmaterial
223 Matrixmaterial
224 Konversionsmaterial
3 Kleber oder Kleberschicht
4 Teilschicht der ersten Schicht
5 Teilschicht der ersten Schicht
6 Verguss
7 Gehäuse
8 Oberfläche der ersten Schicht

Claims

Patentansprüche
Optoelektronisches Bauelement (100) aufweisend
- eine Halbleiterschichtenfolge (1) mit einem aktiven
Bereich, der zumindest über eine
Hauptstrahlungsaustrittsflache (11) in Betrieb Strahlung emittiert,
- ein freitragendes Konversionselement (2), das im
Strahlengang der Halbleiterschichtenfolge (1) angeordnet ist,
- wobei das freitragende Konversionselement (2) ein
Substrat (21) und nachfolgend eine erste Schicht (22) aufweist, wobei die erste Schicht (22) zumindest ein Konversionsmaterial (222) aufweist, das in einem
Matrixmaterial (221) eingebettet ist,
- wobei das Matrixmaterial (221) zumindest ein
kondensiertes Sol-Gel Material aufweist, das aus folgender Gruppe ausgewählt ist: Wasserglas,
Metallphosphat , Monoaluminiumphosphat,
Aluminiumphosphat, modifiziertes Monoaluminiumphosphat, Alkoxytetramethoxysilan, Tetraethylorthosilikat ,
Methyltrimethoxysilan, Methyltriethoxysilan,
Titanalkoxid, Kieselsol, Metallalkoxid, Metalloxan, Metallalkoxan,
- wobei das kondensierte Sol-Gel Material einen Anteil zwischen 10 und 70 Vol% in der ersten Schicht (22) aufweist,
- wobei das Substrat (21) frei von dem Sol-Gel Material und dem Konversionsmaterial (222) ist und zur
mechanischen Stabilisierung der ersten Schicht (22) dient .
2. Optoelektronisches Bauelement (100) nach Anspruch 1, wobei das Substrat (21) Glas, Glaskeramik, Saphir oder eine transparente oder transluzente Keramik ist.
3. Optoelektronisches Bauelement (100) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei die erste Schicht (22) eine dem Substrat (21)
abgewandte Oberfläche (8) aufweist, die strukturiert ist.
4. Optoelektronisches Bauelement (100) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei das freitragende Konversionselement (2) mittels eines Klebers (3) auf die Hauptstrahlungsaustrittsflache (11) angeordnet ist.
5. Optoelektronisches Bauelement (100) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei zwischen der Hauptstrahlungsaustrittsflache (11) und dem Substrat (21) die erste Schicht (22) angeordnet ist.
6. Optoelektronisches Bauelement (100) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei zwischen der Hauptstrahlungsaustrittsflache (11) und der ersten Schicht (22) das Substrat (21) angeordnet ist.
7. Optoelektronisches Bauelement (100) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei die erste Schicht (22) eine Schichtdicke zwischen 20 ym und 70 ym für Teilkonversion oder 30 ym bis 150 ym für
Vollkonversion aufweist.
8. Optoelektronisches Bauelement (100) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Kleber (3) ein Silikon ist und das freitragende Konversionselement (2) frei von Silikon ist.
9. Optoelektronisches Bauelement (100) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei die erste Schicht (221) mittels eines Klebers (3) auf der Hauptstrahlungsaustrittsflache (11) angeordnet ist, und wobei die erste Schicht (22) direkt auf dem Substrat (21) angeordnet ist.
10. Optoelektronisches Bauelement (100) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,
das im Betrieb Strahlung mit einer Farbtemperatur zwischen 2500 K bis 4500 K emittiert.
11. Optoelektronisches Bauelement (100) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,
das im Betrieb Strahlung mit einer Farbtemperatur zwischen 4500 K bis 8000 K emittiert.
12. Optoelektronisches Bauelement (100) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei das kondensierte Sol-Gel Material einen Anteil zwischen 20 und 50 Vol% in der ersten Schicht aufweist.
13. Optoelektronisches Bauelement (100) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei das zumindest eine Konversionsmaterial (222) aus folgender Gruppe ausgewählt ist: (Y, Gd, Tb, Lu) 3 (AI , Ga) 5O12 : Ce3+, (Sr,Ca) AlSiN3:Eu2+, ( Sr, Ba, Ca, Mg) 2Si5N8 : Eu2+,
(Ca, Sr,Ba) 2Si04:Eu2+, -SiA10 : Eu2+, ß-SiAlO : Eu2+,
(Sr, Ca) S :Eu2, ( Sr, Ba, Ca) 2 ( Si , AI ) 5 (N,0)8:Eu2+,
(Ca, Sr) 8Mg (Si04) 4Cl2:Eu2+, (Sr,Ba) Si2N202 : Eu2+ .
14. Optoelektronisches Bauelement (100) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei mindestens zwei verschiedene Konversionsmaterialien (222, 224) in dem Matrixmaterial (223) eingebettet sind.
15. Optoelektronisches Bauelement (100) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei das Substrat (21) eine Dicke von 50 ym bis 200 ym aufweist .
16. Optoelektronisches Bauelement (100) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei die Kleberschicht (3) eine Dicke von 500 nm bis 15 ym aufweist .
17. Optoelektronisches Bauelement (100) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei das Matrixmaterial (221) ein kondensiertes Sol-Gel Material ist, das aus einer Aluminiumphosphatlösung oder aus einer Monoaluminiumphosphatlösung oder aus einer
modifizierten Monoaluminiumphosphatlösung hergestellt wurde.
18. Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen
Bauelements (100) nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 17 mit den Schritten:
A) Bereitstellen einer Halbleiterschichtenfolge (1) mit einem aktiven Bereich, der zumindest über eine
Hauptstrahlungsaustrittsflache (11) in Betrieb Strahlung emittiert,
B) Aufbringen eines Konversionselements (2) zumindest auf die Hauptstrahlungsaustrittsflache (11), das freitragend ist und vor dem Aufbringen wie folgt hergestellt wird: Bl) Einbringen von zumindest einem Konversionsmaterial (222) in ein Matrixmaterial (221) zur Erzeugung einer Dispersion, wobei das Matrixmaterial (221) zumindest eine Lösung eines Sol-Gel Materials aufweist, das aus folgender Gruppe
ausgewählt ist: Wasserglas, Metallphosphat,
Monoaluminiumphosphat , Aluminiumphosphat, modifiziertes
Monoaluminiumphosphat , Alkoxytetramethoxysilan,
Tetraethylorthosilikat , Methyltrimethoxysilan,
Methyltriethoxysilan, Titanalkoxid, Kieselsol, Metallalkoxid, Metalloxan, Metallalkoxan,
B2) Aufbringen der Dispersion auf ein Substrat (21) zur
Erzeugung einer ersten Schicht (22), wobei das Substrat (21) frei von dem Sol-Gel Material und dem Konversionsmaterial (222) ist und zur mechanischen Stabilisierung der ersten Schicht (22) dient,
B3) Erhitzen des Substrats (21) und der ersten Schicht (22) auf maximal 550 °C, und
B4) gegebenenfalls Glätten einer dem Substrat (21)
abgewandten Oberfläche (8) der ersten Schicht.
19. Verfahren nach Anspruch 18,
wobei nach Schritt B3) oder B4) ein zusätzlicher Schritt erfolgt :
B5) Vereinzeln des Substrats (21) und der ersten Schicht (22) zur Erzeugung einer Mehrzahl von Konversionselementen, wobei zumindest ein Konversionselement (2) auf die
Hauptstrahlungsaustrittsfläche (11) angeordnet wird.
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