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WO2018158124A1 - 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
WO2018158124A1
WO2018158124A1 PCT/EP2018/054283 EP2018054283W WO2018158124A1 WO 2018158124 A1 WO2018158124 A1 WO 2018158124A1 EP 2018054283 W EP2018054283 W EP 2018054283W WO 2018158124 A1 WO2018158124 A1 WO 2018158124A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
layer
substrate
oxide
glass
optoelectronic component
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/EP2018/054283
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Jörg FRISCHEISEN
Angela Eberhardt
Florian Peskoller
Thomas HUCKENBECK
Michael Schmidberger
Jürgen Bauer
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.)
Filing date
Publication date
Application filed by Osram Opto Semiconductors GmbH filed Critical Osram Opto Semiconductors GmbH
Priority to US16/463,509 priority Critical patent/US10847684B2/en
Publication of WO2018158124A1 publication Critical patent/WO2018158124A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10H—INORGANIC LIGHT-EMITTING SEMICONDUCTOR DEVICES HAVING POTENTIAL BARRIERS
    • H10H20/00—Individual inorganic light-emitting semiconductor devices having potential barriers, e.g. light-emitting diodes [LED]
    • H10H20/80—Constructional details
    • H10H20/85—Packages
    • H10H20/851—Wavelength conversion means
    • H10H20/8511—Wavelength conversion means characterised by their material, e.g. binder
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03C—CHEMICAL COMPOSITION OF GLASSES, GLAZES OR VITREOUS ENAMELS; SURFACE TREATMENT OF GLASS; SURFACE TREATMENT OF FIBRES OR FILAMENTS MADE FROM GLASS, MINERALS OR SLAGS; JOINING GLASS TO GLASS OR OTHER MATERIALS
    • C03C14/00—Glass compositions containing a non-glass component, e.g. compositions containing fibres, filaments, whiskers, platelets, or the like, dispersed in a glass matrix
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10H—INORGANIC LIGHT-EMITTING SEMICONDUCTOR DEVICES HAVING POTENTIAL BARRIERS
    • H10H20/00—Individual inorganic light-emitting semiconductor devices having potential barriers, e.g. light-emitting diodes [LED]
    • H10H20/80—Constructional details
    • H10H20/85—Packages
    • H10H20/851—Wavelength conversion means
    • H10H20/8514—Wavelength conversion means characterised by their shape, e.g. plate or foil
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03C—CHEMICAL COMPOSITION OF GLASSES, GLAZES OR VITREOUS ENAMELS; SURFACE TREATMENT OF GLASS; SURFACE TREATMENT OF FIBRES OR FILAMENTS MADE FROM GLASS, MINERALS OR SLAGS; JOINING GLASS TO GLASS OR OTHER MATERIALS
    • C03C2217/00—Coatings on glass
    • C03C2217/90—Other aspects of coatings
    • C03C2217/94—Transparent conductive oxide layers [TCO] being part of a multilayer coating
    • C03C2217/944—Layers comprising zinc oxide

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 can often be formed in the form of platelets and applied to the semiconductor layer sequence by means of an adhesive.
  • the plates are enclosed with another material,
  • 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 / mm2, 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
  • An object of the invention is to overcome the disadvantages described above and an improved
  • optoelectronic component should be stable with respect to high Be temperatures, humidity and radiation.
  • 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 is at least one
  • the conversion element is self-supporting.
  • the conversion element is arranged in the beam path of the semiconductor layer sequence.
  • the conversion element has a substrate.
  • the conversion element has a first layer.
  • the first layer is arranged in particular on the substrate.
  • the first layer is arranged downstream of the 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.
  • the first Layer has at least one conversion material.
  • the first layer has a glass matrix.
  • the glass matrix has a content of 50% by volume to 80% by volume (calculated without pores) in the first layer.
  • Substrate is free from the glass matrix and the
  • the semiconductor layer sequence is preferably based on a III-V compound semiconductor material. "To 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 contain one or more dopants and also additional dopants
  • the substrate it can be glass, glass ceramic, sapphire or a transparent or translucent ceramic.
  • the substrate is glass or sapphire.
  • a glass for example
  • a protective layer for example, evaporated layers of e.g. S1O2 and / or AI2O3,
  • 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 thickness of the first layer is the thickness of the first layer
  • the maximum layer thickness is 250 ym or at most 220 ym, more preferably at most 200 ym, preferably at most 180 ym or at most 170 ym or at most 160 ym or at most 150 ym or at most 100 ym or at most 90 ym or at most 80 ym or at most 70 ym or at most 60 ym or at most 50 ym, ideally from 70 ym to 180 ym.
  • the conversion material may consist of inorganic phosphors or have these, for example
  • the conversion material is capable of partially increasing the radiation of the semiconductor layer sequence
  • more than two conversion materials may be present in the conversion element. 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.
  • Conversion material on particles that have a different particle size distribution When using several conversion materials has been found that the appropriate adjustment of the particle size may be crucial in order to produce the most dense packing and thus to obtain a compact conversion element with a good thermal conductivity. Alternatively, particles of a conversion material of different sizes may also be mixed to produce a densest sphere package.
  • 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
  • Conversion element made of several layers, which may vary in layer thickness, compactness, glass matrix, conversion material, scatterers and / or fillers.
  • 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 can be generated.
  • a compact first layer can be generated.
  • the compactness of the first layer can be in addition to the
  • the compactness of the first layer can also be determined by the size and shape of the conversion materials, by the size and shape of the glass matrix if it is in powder form, by the ratio between conversion material and
  • Matrix material can be influenced.
  • An as compact as possible first layer with a closed surface as possible is advantageous if the first layer by means of adhesive on the
  • Semiconductor layer sequence is applied so that little glue gets into the pores of the first layer.
  • the component can be used for stage lighting, flashlight, in the
  • Automotive sector eg 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
  • the conversion material in the glass matrix 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 Conversion element so be arranged from the side facing away from 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.
  • the proportion of blue radiation that strikes back on the semiconductor layer sequence
  • the semiconductor layer sequence or on adjacent layers, such as, for example, a mirror coating.
  • the mirror coating can offer an efficiency advantage since, as a rule, part of the light is absorbed in the semiconductor layer sequence or on adjacent layers, such as, for example, a mirror coating.
  • Conversion element Surfaces that are smoothed or planarized. This can be done for example by grinding or polishing.
  • the polishing can be done for example by grinding or polishing.
  • Layer thickness of the adhesive layer, which connects the conversion element and the semiconductor layer sequence can be reduced and a better thermal connection can be generated.
  • Particles of the conversion material have a size distribution and an average diameter.
  • Diameter (d50 value) can be between 0.5 and 50 ym, preferably between 2 and 40 ym, in particular between 3 ym and 25 ym.
  • various conversion materials can be present, which have different emission spectra.
  • the polishing, grinding and / or structuring step can grind and damage the particles of the conversion material. Therefore, after this structuring and / or the polishing or grinding, a protective layer or an encapsulation can be applied in order to increase the stability of the
  • the conversion material when a phosphor is used as the conversion material, for example, it has a protective layer on the particles around it against environmental influences such as moisture
  • Conversion material can be applied to increase the stability.
  • the protective layer can also after a
  • a protective layer for example, evaporated layers of e.g. S1O2 and / or AI2O3,
  • 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 conversion element may have a certain porosity.
  • a material for example a polymer such as silicone or polysilazane, or generally a material that has a low light absorption in the wavelength range of Excitation wavelength or the converted light, are introduced.
  • Conversion element can be applied to the pores of the
  • the coating may comprise the same material as the glass matrix of the first layer.
  • the coating may also have a filler. Additionally or alternatively, the edges of the conversion element can be coated, for example by means of molding or casting. This can for example
  • Conversion element attached.
  • Further layers may be 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
  • Total thickness of the conversion element may be between 30 ym and 2 mm, preferably between 50 ym and 500 ym, more preferably between 100 ym and 250 ym.
  • the conversion element may have areas in which recesses are present, for example during the
  • Semiconductor layer sequence release a bond pad, over the the semiconductor layer sequence is electrically contacted. This area can be subsequently generated.
  • the generation can be mechanical, for example by sawing or
  • they are lateral
  • first layers each with different conversion materials and / or glass matrices, which are arranged above one or more semiconductor layer sequences, can be used laterally next to one another. This can
  • 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 is modified, for example, chemically, thermally, or by radiation in such a way that removal of the substrate is possible.
  • the conversion element can also be formed substrate-free. By this is meant that the substrate is removed after application to the semiconductor layer sequence. In the subsequent removal of the substrate very thin conversion elements can be produced.
  • the first layer has a glass matrix.
  • the glass matrix preferably has a proportion of 50 to 80% by volume in the first layer.
  • the glass matrix has a good moisture stability. Good here means in particular that after a storage test at 85 ° C. and 85% relative atmospheric humidity after 1000 hours, the matrix shows no significant changes in the mechanical and optical properties; for example, should no haze or discoloration appear, the transmission can be reduced by less than 1%. change the start value and no
  • Formations like crystals are located on the surface.
  • the proportion of the glass matrix in the first layer is greater than 0% by volume and less than 100% by volume, preferably between 50 and 80% by volume (limits included), for example 40 or 45
  • Conversion material in the first layer may be between 0% by volume and 100% by volume, preferably between 20 and 50% by volume, for example 20, 22, 25, 28, 30, 32, 35, 38, 40, 45, 4 or 50 vol.%.
  • the first layer has a layer thickness of ⁇ 200 ⁇ m.
  • the layer thickness -S is 150 ym or ⁇ 100 ym.
  • the layer thickness of the first layer is a maximum of 200 ym for full conversion or a maximum of 150 ym for partial conversion.
  • the substrate has a higher softening temperature than the softening temperature of the glass matrix. This can be used as a dispersion
  • the glass matrix is tellurite glass, a silicate glass, an aluminosilicate glass, a borate glass, a borosilicate glass or a phosphate glass
  • the substrate is arranged between the main radiation exit surface and the first layer. Between the substrate and the
  • Main radiation exit surface may be a layer
  • an adhesive layer may be additionally arranged.
  • the substrate can be directly on the
  • the first layer is preferably between the main radiation exit surface and the first layer
  • Substrate arranged. This arrangement is advantageous because the heat generated during operation in the first layer is closer to the semiconductor layer sequence, which is connected to a heat sink, and thus can be better dissipated.
  • a layer such as an adhesive layer, additionally arranged.
  • the first layer has a surface facing away from the substrate. The surface is preferably surface-treated.
  • Surface-treated is understood here in particular that the surface is smoothed.
  • the smoothing can be done, for example, by polishing, grinding, etching or general
  • the cantilevered conversion element by means of an adhesive on the
  • the adhesive can be inorganic or organic.
  • the adhesive can be inorganic or organic.
  • main radiation exit surface is meant the surface of the semiconductor layer sequence which is arranged vertically in the direction of growth of the semiconductor layer sequence and faces the conversion element.
  • the adhesive is a silicone and the cantilevered conversion element is free of the silicone.
  • the adhesive may also comprise the same glass matrix material as the glass matrix materials described herein for the
  • the adhesive may be a sol-gel material, such as aluminum phosphate,
  • the adhesive may have fillers.
  • the glass matrix is oxidic and comprises at least one of the following materials: lead oxide, bismuth oxide, boron oxide, silicon dioxide,
  • Phosphorus pentoxide alumina, tellurium dioxide or zinc oxide or includes these.
  • the glass matrix preferably, the glass matrix
  • the glass matrix is free of
  • the glass matrix comprises or consists of zinc oxide (ZnO), boron trioxide (B2O3) and silicon dioxide (S1O2).
  • the glass matrix comprises zinc oxide, at least one glass former and one
  • the glass former may, for example, be boric acid, silicon dioxide, phosphorus pentoxide, germanium dioxide, bismuth oxide, lead oxide and / or tellurium dioxide.
  • the network transducer or intermediate oxide may be selected from the following group or combinations thereof: alkaline earth oxide, alkali oxide, alumina, zirconia, niobium oxide, tantalum oxide, tellurium dioxide, tungsten oxide,
  • Molybdenum oxide antimony oxide, silver oxide, tin oxide, rare earth oxides.
  • the glass matrix is a tellurite glass. In accordance with at least one embodiment, the glass matrix has a proportion of at least 60% by volume in the first layer. According to at least one embodiment, the
  • the adhesive layer is preferably between the
  • the adhesive layer has a thickness of 500 nm to 50 ⁇ m, preferably between 500 nm to 5 ⁇ m.
  • the adhesive layer should be formed as thin as possible, for example, 500 nm, 1 ym, 2 ym, 3 ym, 4 ym or 5 ym in order to achieve a good heat dissipation.
  • the bonding can take place by means of an inorganic or organic adhesive, preferably with the side facing away from the substrate.
  • the substrate is formed transmissive.
  • 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.
  • the inventors have recognized that by combining a semiconductor layer sequence described here and a
  • the conversion element comprises or consists of one or more conversion materials embedded in a glass matrix.
  • the conversion material and the glass matrix form the first layer, which is arranged on a substrate.
  • the conversion element can be very thin layers
  • the first layer is on the substrate applied, wherein the glass matrix can be processed at low viscosity and therefore can be filled thinner and higher with the conversion material than a non-formed in a conversion element.
  • the shape would be lost here due to the surface tension if the glass matrix becomes too low-viscous.
  • the conversion element has scattering by pores and / or differences in refractive index, which can be more easily varied and adjusted than with other inorganic matrix materials, since the
  • Glass matrix remains a certain residual porosity. In other words, the glass matrix is low in pores, but usually never completely free of pores.
  • the surface of the conversion element is largely closed and relatively smooth.
  • the substrate and the matrix material have a good moisture stability.
  • An optoelectronic component with a high color rendering index can be provided at a significantly higher operating current compared to conversion elements which have silicon as the matrix material. It can
  • the optoelectronic components can be used for other color locations or for full conversion applications.
  • the adaptation of the color locus and the color rendering index of the emitting radiation for high power applications which are not common in general and for example in ceramic
  • a substrate with a thermal expansion coefficient is used such that the conversion element has only a slight distortion, preferably no distortion after the glazing process during production by temperature change.
  • the dicing can be done by means of sawing, scribing and rupturing or with different laser separation techniques, e.g.
  • the invention further relates to a method for producing an optoelectronic component.
  • the optoelectronic component described here is preferably produced by the method. All definitions and explanations for the optoelectronic component also apply to the method and vice versa.
  • the method for producing an optoelectronic component comprises the steps: A) providing a semiconductor layer sequence with an active region, at least over one
  • Dispersion here means a heterogeneous mixing of at least two components. The mixing can be done for example by hand or by means of Speedmixer or three-roll mill or roller block. Dispersion here also includes a paste or suspension of a conversion material powder and a
  • binders e.g., polypropylene carbonate, cellulose
  • other additives may be included.
  • a solvent e.g
  • Dispersant e.g., ammonium polymethacrylate
  • a dispersant e.g., ammonium polymethacrylate
  • Plasticizer e.g., propylene carbonate
  • Step B5 may be optional. Treating in the
  • Step B5 may be smoothing, for example.
  • the smoothing can be done by polishing or grinding.
  • the step B5 is performed when the first layer faces the main radiation exit surface, because there may be a smoothing or treating the surface of the first layer of advantage to form the adhesive layer as thin as possible and thus to achieve a better heat dissipation.
  • the treatment of the surface of the first layer can also be effected by applying a further coating, such as an antireflection coating.
  • the temperature described in step B4 is preferably above 350 ° C.
  • step B2 is carried out by means of doctoring, screen printing, stencil printing, film casting, spin coating, dispensing or spray coating.
  • Conversion elements on a high thermal conductivity, better temperature stability and higher stability to radiation has a better heat dissipation especially with such layer thicknesses of the conversion elements compared with conversion elements with silicone as a matrix.
  • the scatter can be due to
  • Adjustment of the refractive index are better controlled than with silicone as a matrix material.
  • silicone as a matrix material.
  • Conversion material is reduced, for example, to a refractive index difference of ⁇ 0.3 or ⁇ 0.2 or ⁇ 0.15 or ⁇ 0.1.
  • the conversion elements described here can be found in the
  • the conversion element has a substrate in order to ensure sufficient mechanical stability. This allows a light mechanical
  • the substrate is
  • the first layer is on the
  • the conversion element can be applied to the substrate, for example by means of doctoring, screen printing, stencil printing, dispensing, spray coating, film casting, spin coating, electrophoretic deposition or other methods or combinations of such methods.
  • the component can be used for stage lighting, flashlight, in the
  • Automotive sector lamps, displays, brake lights, endoscope, business lighting and / or stadium lighting can be used. It can be made several components simultaneously. This can be achieved, for example, by coating a larger substrate and then singulating this substrate to produce a plurality of optoelectronic
  • the substrate has a good thermal conductivity, it is possible to apply the conversion element on the substrate side by means of an adhesive to the main radiation exit surface. Due to the good thermal conductivity, the substrate does not act as a thermal barrier here.
  • a treatment such as, for example, grinding or polishing.
  • the conversion material is a phosphor which has, for example, a protective layer on the particles to protect it from environmental influences such as moisture
  • such a protective layer may be damaged by processing such as grinding or polishing.
  • a further protective layer can be applied after preparation of the conversion material to the
  • the protective layer can also be applied after a dicing process, for example by sawing, in order to also cover the edges of the conversion element protect.
  • a protective layer for example vapor-deposited layers of, for example, S1O2 and / or Al2O3 are suitable,
  • 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
  • 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 coating can protect to avoid that the substrate is damaged in the coating and, for example, scratches, cracks, or micro-cracks form or serve as a diffusion barrier for example, alkali oxide from the substrate.
  • Protective layer may be, for example, alumina or silica.
  • Conversion material a proportion in the first layer between 0 and 50 vol .-%, preferably between 20 and 50 vol .-% on.
  • Glasses can be used as the glass matrix. Oxide glasses are preferred. Oxide glasses can be used as the glass matrix. Oxide glasses are preferred. Oxide glasses can be used as the glass matrix.
  • Aluminosilicate glasses phosphate glasses, tellurite glasses or
  • Germanatgläser be.
  • optical glasses or glasses which have a low transformation temperature so-called “low-Tg” glasses
  • lead oxide-containing glasses can be used, such as mixtures of lead oxide and boron oxide (PbO-B203) or lead oxide and silicon dioxide (PbO-SiO 2) or lead oxide, boron oxide and silicon dioxide (PbO-B 2 O 3 -SiO 2) or lead oxide, boron oxide, Zinc oxide (PbO-B203-ZnO) or lead oxide, boron oxide and alumina (PbO-B203-A1203).
  • the lead-oxide-containing glasses described herein may also contain bismuth oxide or zinc oxide.
  • these glasses may, for example, alkaline earth oxides, alkali oxides, aluminum oxide, zirconium oxide, titanium dioxide, hafnium dioxide, niobium oxide,
  • the glass matrix is free of lead or lead oxide.
  • bismuth oxide-containing glasses can be used.
  • the bismuth oxide-containing glasses may also contain other glass components such as
  • Alkaline earth oxides alkali oxides, alumina, zirconia,
  • lead oxide-free glasses such as zinc oxide-containing glasses can be used.
  • Phosphorus pentoxide ZnO-SnO-P205
  • zinc oxide ZnO-SnO-P205
  • Tellurium dioxide (ZnO-Te02) can be used.
  • the zinc oxide-containing glasses may contain further constituents such as, for example, alkaline earth oxides, alkali oxides, aluminum oxide, zirconium oxide, titanium oxide, hafnium oxide, niobium oxide, tantalum oxide, tellurium dioxide, tungsten oxide, molybdenum oxide, antimony oxide,
  • Silver oxide, tin oxides and / or other rare earth oxides Silver oxide, tin oxides and / or other rare earth oxides
  • the glass matrix has a softening temperature which is preferably in the range of 150-1000 ° C, more preferably 150-950 ° C, especially between 200-800 ° C, ideally in the range of 300-700 ° C or in the range of 350 -650 ° C, lies.
  • the glass has a viscosity of 10 7.6 dPa * s as defined in ISO 7884.
  • the glass matrix has a viscosity of 10 5 dPa * s in the range of 150 and 1400 ° C, in particular in the range of 250 to 1200 ° C, for example in the range of 250-650 ° C or in the range of 600-1200 ° C ( Borders respectively
  • Preparation of the conversion element not more than 1400 ° C, or ⁇ 1350 ° C, or ⁇ 1300 ° C, or ⁇ 1250 ° C, or ⁇ 1200 ° C, or ⁇ 1150 ° C, or ⁇ 1100 ° C, or ⁇ 1050 ° C, or ⁇ 1000 ° C, or ⁇ 950 ° C, or ⁇ 900 ° C, or ⁇ 850 ° C, or ⁇ 800 ° C, or ⁇ 700 ° C, or ⁇ 650 ° C, or ⁇ 600 ° C or ⁇ 550 ° C. This also depends on the softening temperature of the
  • the glass matrix contains zinc oxide and belongs to the system zinc oxide, boron oxide and
  • Silica ZnO-B203-SiO 2
  • bismuth oxide bismuth oxide
  • boron oxide zinc oxide and silicon dioxide
  • ZnO-TeO 2 zinc oxide and tellurium dioxide
  • the refractive index of the zinc oxide-boria-silica is about 1.6.
  • the refractive index for bismuth oxide, boron oxide, zinc oxide and silica as the glass matrix is about 2.0, the glass matrix with tellurium dioxide with zinc oxide is also high refractive and is about 1.9.
  • the conversion element is very stable to moisture.
  • Automotive sector it is advantageous if these components have a high moisture stability
  • a stability at 1000 hours at 85 ° C with 85% relative humidity For example, a stability at 1000 hours at 85 ° C with 85% relative humidity.
  • the silica content of the borate glasses is preferably 1 mol% and 20 mol%, preferably 3 mol%, preferably 5 mol%. It can also be silicate glasses with a
  • the glasses contain zinc oxide in an amount of at least 1 mol%, ie the component has not been deliberately introduced via raw material impurities, but at a maximum of 50 mol%. It is likewise possible to use aluminosilicate glasses, for example an alkaline earth aluminosilicate glass. Further advantages, advantageous embodiments and
  • FIG. 1 shows an electron micrograph according to an embodiment, Figures 2A to 2G each an optoelectronic
  • identical, identical or identically acting elements can each be provided with the same reference numerals.
  • the illustrated elements and their proportions with each other are not to be regarded as true to scale. Rather, individual elements such.
  • Regions for exaggerated representability and / or for better understanding are shown exaggeratedly large.
  • Embodiment 1 ZnO-B 2 O 3 ⁇ SiO 2 as glass matrix 221
  • a paste comprising a powder of a glass consisting of zinc oxide, boron oxide, silica and alumina, a garnet as a conversion material powder and a conventional screen printing medium consisting of a binder and a
  • Solvents were prepared and then applied to the substrate using one of the common coating methods.
  • the Application can be effected for example by means of doctoring or by screen or stencil printing with a layer thickness in the wet state between 30 and 200 ⁇ m, preferably 50 to 150 ⁇ m, in particular between 60 and 130 ⁇ m.
  • the conversion element can be annealed at a temperature of for example 600 ° C. After annealing, the conversion element 2 may contain a conversion material 222 in a proportion of 25% by volume.
  • the alumina is present in particular only in small quantities. The alumina was not considered in the above formula.
  • FIG. 1 shows an example
  • Conversion element 2 according to one embodiment.
  • Layer thickness of the conversion element 2 is about 85 ym after a tempering temperature of about 600 ° C for thirty minutes.
  • the conversion material 2 has a content of approximately 22% by volume in the first layer 22.
  • substrate 21 was a borosilicate glass with a good chemical
  • Embodiment 1 YAGaG as conversion material in
  • the substrate has good chemical resistance.
  • Gap height of the squeegee was 100 ym.
  • the substrate thickness was about 0.7 mm. After drying at 80 ° C was
  • Annealing step contained the conversion element a
  • Pores and a layer thickness of about 20 ym of the first layer 22.
  • Embodiment 3 ZnO-B203 S ⁇ i02 as a glass matrix
  • the embodiment 3 was made as the embodiment 2 and annealed at a temperature of 600 ° C for thirty minutes.
  • the layer thickness of the annealed first layer is about 20 ym.
  • Embodiment 4 ZnO-B203 S ⁇ i02 as a glass matrix
  • Embodiment 4 was made as embodiment 3, but with a gap height of 60 ym.
  • the thickness of the annealed first layer is about 13 ym.
  • the luminance of Embodiments 2, 3, and 4 was measured at 1000 mA.
  • Embodiment 3 shows the best values and is comparable to the luminance of ceramic converters.
  • FIGS. 2A to 2G each show a schematic
  • the optoelectronic component 100 of FIG. 2A 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 1 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, for example, an adhesive layer 3, as shown in Figures 2D to 2G, 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. 2B).
  • the first layer 22 may include a glass matrix 221. At least one conversion material 222 may be embedded in the glass matrix 221. It can also do more than one
  • conversion material 222 are any Materials used for conversion of the
  • Semiconductor layer sequence 1 emitted radiation in radiation with modified, usually longer, wavelength, are set up.
  • 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 glass matrix 221, 223.
  • the glass matrix 221, 223 may be, for example, a tellurite glass.
  • 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 ceramic.
  • the substrate 21 may be arranged.
  • the substrate 21 can thus directly to the adhesive layer 3 or the
  • the first layer 22 may be arranged.
  • the first layer 22 can therefore directly the adhesive layer 3 or the
  • FIG. 2G 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.
  • the potting 6 may also
  • the housing 7 can also be only partially filled with the potting 6, for example, to the top of the

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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 eine erste Schicht (22) aufweist, wobei die erste Schicht (22) zumindest ein Konversionsmaterial (222) aufweist, das in einer Glasmatrix (221) eingebettet ist, wobei die Glasmatrix (221) einen Anteil von 50 bis 80 Vol.-% in der ersten Schicht (22) aufweist, wobei das Substrat (21) frei von der Glasmatrix (221) und dem Konversionsmaterial (222) ist und zur mechanischen Stabilisierung der ersten Schicht (22) dient, wobei die erste Schicht (22) eine Schichtdicke von kleiner als 200 μm aufweist.

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. Es können Konversionselemente häufig in Form von Plättchen ausgeformt und auf die Halbleiterschichtenfolge mittels eines Klebers aufgebracht werden. 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/mm2, 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 gegen Feuchtigkeit und Strahlung ist, und in das sich das Konversionsmaterial ohne permanente Schädigung einbetten lässt .
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 16 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und/oder Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand des abhängigen Anspruchs 17.
In zumindest einer Ausführungsform weist das
optoelektronische Bauelement eine Halbleiterschichtenfolge auf. Die Halbleiterschichtenfolge weist einen aktiven Bereich auf. Der aktive Bereich ist zumindest über eine
Hauptstrahlungsaustrittsfläche im Betrieb dazu eingerichtet, Strahlung zu emittieren. Das Bauelement weist ein
Konversionselement auf. Insbesondere können ein
Konversionselement und die Halbleiterschichtenfolge direkt miteinander verbunden sein. Das Konversionselement ist freitragend. Das Konversionselement ist im Strahlengang der Halbleiterschichtenfolge angeordnet. Das Konversionselement weist ein Substrat auf. Das Konversionselement weist eine erste Schicht auf. Die erste Schicht ist insbesondere auf 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 weist zumindest ein Konversionsmaterial auf. Die erste Schicht weist eine Glasmatrix auf. Das
Konversionsmaterial ist in der Glasmatrix eingebettet. Die Glasmatrix weist einen Anteil von 50 Vol.-% bis 80 Vol.-% (berechnet ohne Poren) in der ersten Schicht auf. Das
Substrat ist frei von der Glasmatrix und dem
Konversionsmaterial. Das Substrat ist zur mechanischen
Stabilisierung der ersten Schicht eingerichtet. Die erste Schicht weist eine Schichtdicke von kleiner oder gleich 200 ym auf.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das
optoelektronische Bauelement eine Halbleiterschichtenfolge auf. Die Halbleiterschichtenfolge basiert bevorzugt auf einem III-V-Verbindungshalbleitermaterial . "Auf ein
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
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
Hauptstrahlungsaustrittsfläche der Halbleiterschichtenfolge aufgebracht werden. Vorzugsweise wird jedoch die erste
Schicht auf der Hauptstrahlungsaustrittsfläche 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 eine Beschichtung auf. Die Beschichtung kann beispielsweise eine Streuschicht aufweisen, um die Lichtauskopplung zu erhöhen. Die Beschichtung kann auch eine Verkapselung sein. Die
Verkapselung soll gegen Umwelteinflüsse, wie beispielsweise Feuchtigkeit, schützen.
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.
Durch die Bearbeitung, wie beispielsweise Schleifen oder Polieren, kann das Konversionsmaterial und/oder
Matrixmaterial beschädigt werden. Es kann eine weitere
Schutzschicht oder Verkapselung aufgebracht werden um das Konversionsmaterial und/oder Matrixmaterial zu schützen und die Lebensdauer zu erhöhen. 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, von maximal 140 ym oder von maximal 130 ym oder von maximal 120 ym oder von maximal 110 ym, besser maximal 100 ym oder vorzugsweise maximal 90 ym oder maximal 80 ym oder maximal 70 ym oder maximal 60 ym oder maximal 50 ym oder maximal 45 ym oder maximal 40 ym oder maximal 35 ym oder maximal 30 ym oder maximal 25 ym oder maximal 20 ym für Teilkonversion ausgeformt ist, idealerweise von 40 ym bis 100 ym. Für Vollkonversion ist die maximale Schichtdicke 250 ym oder maximal 220 ym, besser maximal 200 ym, vorzugsweise maximal 180 ym oder maximal 170 ym oder maximal 160 ym oder maximal 150 ym oder maximal 100 ym oder maximal 90 ym oder maximal 80 ym oder maximal 70 ym oder maximal 60 ym oder maximal 50 ym, idealerweise von 70 ym bis 180 ym.
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 der Glasmatrix
eingebettet .
Das Konversionsmaterial kann aus anorganischen Leuchtstoffen bestehen oder diese aufweisen, die beispielsweise aus
folgender Gruppe oder Kombinationen daraus ausgewählt sein: (Y, Gd, Tb, Lu) 3 (AI, Ga) 5O12 : Ce3+, (Sr, Ca) AIS1N3 : Eu2+, (Sr,Ba,Ca,Mg)2Si5N8:Eu2+, (Ca, Sr, Ba) 2S1O4 : 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+ . Konversionsmaterialien, beispielsweise Granate, die bei
Prozesstemperaturen von mindestens 550 °C verarbeitet werden können, sind bevorzugt. Das Konversionsmaterial kann
Quantendots umfassen. Das Konversionsmaterial kann zusätzlich oder alternativ sauerstoffhaltiges oder Sauerstofffreies Aluminiumsiliziumnitrid umfassen.
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 100 ym für
Teilkonversion auf. Alternativ weißt die erste Schicht eine Schichtdicke zwischen 40 ym bis 200 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 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 .
Durch die Verwendung von mindestens 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 ein kompaktes Konversionselement mit einer guten thermischen Leitfähigkeit zu erhalten. Alternativ können auch Partikel eines Konversionsmaterials mit unterschiedlichen Größen vermischt werden, um eine dichteste Kugelpackung zu erzeugen .
Durch Sedimentation der Konversionsmaterialien kann ein
Schichteffekt erzeugt werden. Dabei kann die unterschiedl 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 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 Glasmatrixmaterialien der jeweiligen
Teilschichten eingebettet sein
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird das
Konversionselement aus mehreren Schichten hergestellt, die in Schichtdicke, Kompaktheit, Glasmatrix, Konversionsmaterial, Streuern und/oder Füllstoffen variieren können.
Das Konversionsmaterial kann kugelförmig ausgeformt sein. Damit kann in der ersten Schicht ein hoher Füllgrad an
Konversionsmaterial erreicht werden und damit eine kompakte erste Schicht erzeugt werden. Vorzugsweise ist das
Konversionselement dünn ausgeformt. Das Konversionselement weist eine Streuung auf, die aufgrund eingeschlossener Poren und Brechzahlunterschiede zwischen Glasmatrix,
Konversionsmaterial, und gegebenenfalls Poren, zustande kommt .
Die Kompaktheit der ersten Schicht kann neben den
Komponentenverhältnissen auch bei der Herstellung durch die Wahl geeigneter Prozessparameter , wie Trocknen oder
Ausheizen, oder durch die Kontrolle der Feuchtigkeit oder mittels einer Temperaturrampe eingestellt werden. Die Kompaktheit der ersten Schicht kann außerdem durch die Größe und Form der Konversionsmaterialien, durch Größe und Form der Glasmatrix falls diese als Pulver vorliegt, 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. Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das
Konversionsmaterial in der Glasmatrix homogen verteilt.
Alternativ kann das Konversionsmaterial in der Glasmatrix 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
Konversionselement Oberflächen auf, die geglättet oder planarisiert sind. Dies kann beispielsweise durch Schleifen oder Polieren erfolgen. Damit kann beispielsweise die
Schichtdicke der Kleberschicht, welche das Konversionselement und die Halbleiterschichtenfolge verbindet, reduziert werden und eine bessere thermische Anbindung erzeugt werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das
Konversionsmaterial als Partikel ausgeformt, wobei die
Partikel des Konversionsmaterials eine Größenverteilung und einen mittleren Durchmesser aufweisen. Der mittlere
Durchmesser (d50 Wert) kann zwischen 0,5 ym und 50 ym liegen, bevorzugt zwischen 2 ym und 40 ym, insbesondere zwischen 3 ym und 25 ym. Zudem können verschiedene Konversionsmaterialien vorhanden sein, die unterschiedliche Emissionsspektren aufweisen. Der Polier-, Schleif- und/oder Strukturierschritt kann die Partikel des Konversionsmaterials anschleifen und damit schädigen. Daher können nach dieser Strukturierung und/oder dem Polieren bzw. Schleifen eine Schutzschicht oder eine Verkapselung aufgebracht werden, um die Stabilität der
Konversionsmaterialien zu erhöhen. 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 .
Das Konversionselement kann eine gewisse Porosität aufweisen. In die Poren kann 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 Material, wie die Glasmatrix der ersten Schicht, aufweisen. Die Beschichtung kann zudem einen Füllstoff aufweisen. Zusätzlich oder alternativ können die Kanten des Konversionselements beschichtet werden, beispielsweise mittels Molding oder Casting. Dazu kann beispielsweise
Silikon mit Titandioxidpartikel an den Kanten des
Konversionselements angebracht werden. Zwischen dem Substrat und der ersten Schicht können weitere Schichten angeordnet sein, beispielsweise Schutzschichten, die das Substrat vor einem harten Konversionsmaterial
schützen können, 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. 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.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind lateral
strukturierte Schichten erzeugt, die in Bezug auf Dicke, Kompaktheit, Matrixmaterial, Konversionsmaterial, Streuer und Füllstoff variieren können. Damit können beispielsweise lateral nebeneinander angeordnet verschiedene erste Schichten mit jeweils unterschiedlichen Konversionsmaterialien und/oder Glasmatrizen verwendet werden, die über einer oder mehreren Halbleiterschichtenfolgen angeordnet sind. Dies kann
beispielsweise von Vorteil sein, wenn Konversionsmaterialien verwendet werden, die nicht gemeinsam in eine Glasmatrix eingebracht werden, ohne dass zumindest eins der
Konversionsmaterialien beschädigt wird, sondern für jedes Konversionsmaterial eine eigene geeignete Glasmatrix
verwendet werden muss.
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. Das Konversionselement kann auch substratfrei ausgeformt sein. Damit ist hier gemeint, dass das Substrat nach dem Aufbringen auf die Halbleiterschichtenfolge entfernt wird. Bei dem nachträglichen Entfernen des Substrats können sehr dünne Konversionselemente hergestellt werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die erste Schicht eine Glasmatrix auf. Die Glasmatrix weist vorzugsweise einen Anteil von 50 bis 80 Vol.-% in der ersten Schicht auf. Die Glasmatrix weist eine gute Feuchtestabilität auf. Gut meint hier insbesondere, dass die Matrix nach einem Lagerungstest bei 85 °C und 85% relativer Luftfeuchtigkeit nach 1000 Stunden keine signifikanten Änderungen der mechanischen und optischen Eigenschaften zeigt, 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.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Anteil der Glasmatrix in der ersten Schicht größer als 0 Vol.-% und kleiner als 100 Vol.-%, vorzugsweise zwischen 50 und 80 Vol.- % (Grenzen mit eingeschlossen) , beispielsweise 40 oder 45
Vol . - 50 oder 51 Vol . - 52 oder 53 Vol.- 54 oder 55
Vol . - 56 oder 57 Vol . - 58 oder 59 Vol.- 60 oder 61
Vol . - 62 oder 63 Vol . - 64 oder 65 Vol.- 66 oder 67
Vol . - 68 oder 70 Vol . - 71 oder 72 Vol.- 73 oder 74
Vol . - 75 oder 76 Vol . - 77 oder 78 Vol.- 79 oder 80
Vol . - 81 oder 82 Vol . - 83 oder 84 Vol.- 85 oder 86
Vol . - 90 oder 95 Vol . - . Der Anteil des
Konversionsmaterials in der ersten Schicht kann zwischen 0 Vol.-% und 100 Vol.-%, vorzugsweise zwischen 20 und 50 Vol. %, beispielsweise 20, 22, 25, 28, 30, 32, 35, 38, 40, 45, 4 oder 50 Vol.-% sein. Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die erste Schicht eine Schichtdicke von < 200 ym auf. Vorzugsweise ist die Schichtdicke -S 150 ym oder < 100 ym.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Schichtdicke der ersten Schicht maximal 200 ym für Vollkonversion oder maximal 150 ym für Teilkonversion.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Substrat eine höhere Erweichungstemperatur als die Erweichungstemperatur der Glasmatrix auf. Dadurch kann die als Dispersion
aufgebrachte erste Schicht eingebrannt, versintert und/oder verglast werden, ohne dass das Substrat sich verformt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Glasmatrix Telluritglas , ein Silikatglas, ein Alumosilikatglas , ein Boratglas, ein Borosilikatglas oder ein Phosphatglas
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das Substrat zwischen der Hauptstrahlungsaustrittsfläche und der ersten Schicht angeordnet. Zwischen dem Substrat und der
Hauptstrahlungsaustrittsfläche kann eine Schicht,
beispielsweise eine Kleberschicht, zusätzlich angeordnet sein. Alternativ kann das Substrat direkt auf der
Hauptstrahlungsaustrittsfläche aufgebracht sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist bevorzugt die erste Schicht zwischen Hauptstrahlungsaustrittsfläche und dem
Substrat angeordnet. Diese Anordnung ist von Vorteil, weil die bei Betrieb in der ersten Schicht erzeugte Wärme näher an der Halbleiterschichtenfolge, die mit einer Wärmesenke verbunden ist, entsteht und dadurch besser abgeführt werden kann. Zwischen dem Substrat und der Hauptstrahlungsaustrittsflache kann eine Schicht, beispielsweise eine Kleberschicht, zusätzlich angeordnet sein . Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die erste Schicht eine dem Substrat abgewandte Oberfläche auf. Die Oberfläche ist vorzugsweise oberflächenbehandelt. Mit
oberflächenbehandelt wird hier insbesondere verstanden, dass die Oberfläche geglättet ist. Das Glätten kann beispielsweise durch Polieren, Schleifen, Ätzen oder allgemeine
Strukturierung oder Beschichtung erfolgen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird das freitragende Konversionselement mittels eines Klebers auf der
Hauptstrahlungsaustrittsfläche angeordnet. Der Kleber kann anorganisch oder organisch sein. Beispielsweise ist der
Kleber ein Silikon. 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 ist der Kleber ein Silikon und das freitragende Konversionselement frei von dem Silikon .
Der Kleber kann zudem das gleiche Glasmatrixmaterial wie die hier beschriebene Glasmatrixmaterialien für das
Konversionselement sein, falls das Glasmatrixmaterial bei einer Temperatur erweicht, bei der das optoelektronische Bauteil, beispielsweise die Halbleiterschichtenfolge, thermisch noch nicht dauerhaft geschädigt wird. Der Kleber kann ein Sol-Gel-Material , wie Aluminiumphosphat,
modifiziertes Monoaluminiumphosphat , Monoaluminiumphosphat oder Wasserglas, ein niedrigschmelzendes Glas oder ein
Polymer sein. Der Kleber kann Füllstoffe aufweisen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Glasmatrix oxidisch und weist zumindest eines der folgenden Materialien auf: Bleioxid, Bismutoxid, Boroxid, Siliziumdioxid,
Phosphorpentoxid, Aluminiumoxid, Tellurdioxid oder Zinkoxid oder umfasst diese. Vorzugsweise weist die Glasmatrix
Zinkoxid auf. Vorzugsweise ist die Glasmatrix frei von
Bleioxid. Die hier beschriebenen Materialien können einzeln oder in Kombination in der Glasmatrix vorhanden sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die Glasmatrix Zinkoxid (ZnO) , Bortrioxid (B2O3) und Siliziumdioxid (S1O2) oder besteht daraus.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die Glasmatrix Zinkoxid auf, zumindest einen Glasbildner und einen
Netzwerkwandler oder ein Zwischenoxid. Der Glasbildner kann beispielsweise Borsäure, Siliziumdioxid, Phosphorpentoxid, Germaniumdioxid, Bismutoxid, Bleioxid und/oder Tellurdioxid sein. Der Netzwerkwandler oder das Zwischenoxid kann aus der folgenden Gruppe oder Kombinationen daraus ausgewählt sein: Erdalkalioxid, Alkalioxid, Aluminiumoxid, Zirkoniumoxid, Nioboxid, Tantaloxid, Tellurdioxid, Wolframoxid,
Molybdänoxid, Antimonoxid, Silberoxid, Zinnoxid, Oxide der Seltenen Erde.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Glasmatrix ein Telluritglas . Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die Glasmatrix einen Anteil von mindestens 60 Vol.-% in der ersten Schicht auf . Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das
optoelektronische Bauelement eine Kleberschicht auf. Die Kleberschicht ist vorzugsweise zwischen dem
Konversionselement und der Hauptstrahlungsaustrittsfläche angeordnet. Die Kleberschicht weist eine Dicke von 500 nm bis 50 ym, vorzugsweise zwischen 500 nm bis 5 ym, auf. Dabei sollte die Kleberschicht möglichst dünn ausgeformt sein, beispielsweise 500nm, 1 ym, 2 ym, 3 ym, 4 ym oder 5 ym, um eine gute Wärmeabfuhr zu erreichen. Das Kleben kann mittels eines anorganischen oder organischen Klebers, vorzugsweise mit der dem Substrat abgewandten Seite, erfolgen.
Vorzugsweise ist das Substrat transmissiv ausgeformt.
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.
Die Erfinder haben erkannt, dass durch die Kombination einer hier beschriebenen Halbleiterschichtenfolge und einem
Konversionselement vorteilhafte Eigenschaften erzeugt werden können. Das Konversionselement umfasst oder besteht aus einem oder mehreren Konversionsmaterialien, die in einer Glasmatrix eingebettet sind. Das Konversionsmaterial und die Glasmatrix bilden die erste Schicht, die auf einem Substrat angeordnet ist. Das Konversionselement kann sehr dünne Schichten
aufweisen und mit dem Konversionsmaterial hoch gefüllt sein. Mit anderen Worten wird die erste Schicht auf dem Substrat appliziert, wobei die Glasmatrix bei niedriger Viskosität verarbeitet werden kann und deshalb dünner und höher mit dem Konversionsmaterial befüllt werden kann als ein bei einem ohne Substrat ausgeformten Konversionselement. Bei einem ohne Substrat vorhandenen Konversionselement würde hier aufgrund der Oberflächenspannung die Form verlorengehen, wenn die Glasmatrix zu niedrig viskos wird. Das Konversionselement weist Streuung durch Poren und/oder Brechungszahlunterschiede auf, die leichter variiert und eingestellt werden kann als bei anderen anorganischen Matrixmaterialien, da bei der
Glasmatrix eine gewisse Restporosität erhalten bleibt. Mit anderen Worten ist die Glasmatrix porenarm, aber in der Regel nie ganz porenfrei. Die Oberfläche des Konversionselements ist weitestgehend geschlossen und relativ glatt. Das Substrat und das Matrixmaterial weisen eine gute Feuchtstabilität auf.
Durch die hier verwendeten optoelektronischen Bauelemente ergeben sich zahlreiche Vorteile: Es kann ein optoelektronisches Bauelement mit einem hohen Farbwiedergabeindex bei signifikant höherem Betriebsstrom 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 des Farborts und des Farbwiedergabeindex der emittierenden Strahlung für Hochleistungsanwendungen, die in der Regel nicht üblich sind und beispielsweise bei keramischen
Konvertern nicht möglich ist, kann hier erfolgen. Eine höhere Leuchtdichte sowie höherer Lichtstrom pro Chipfläche verglichen mit optoelektronischen Bauelementen, die Silikon als Matrixmaterialien aufweisen, kann mit den hier beschriebenen Bauelementen 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
Bauelementen 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.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird ein Substrat mit einem thermischen Expansionskoeffizienten derart verwendet, dass das Konversionselement nur einen geringen Verzug, vorzugsweise keinen Verzug nach dem Verglasungsvorgang während der Herstellung durch Temperaturänderung aufweist. Das Vereinzeln kann mittels Sägen, Ritzen und Brechen oder mit verschiedenen Lasertrennverfahren, wie z.B.
Lasersublimationsschneiden oder „Stealth Dicing", erfolgen.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Bauelements. Dabei wird vorzugsweise mit dem Verfahren das hier beschriebene optoelektronische Bauelement hergestellt. Dabei gelten alle Definitionen und Ausführungen für das optoelektronische Bauelement auch für das Verfahren und umgekehrt. Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Bauelements die Schritte auf : A) Bereitstellen einer Halbleiterschichtenfolge mit einem aktiven Bereich, der zumindest über eine
Hauptstrahlungsaustrittsflache in Betrieb Strahlung
emittiert,
B) Aufbringen eines Konversionselements zumindest auf die Hauptstrahlungsaustrittsflache, das freitragend ist und vor dem Aufbringen wie folgt hergestellt wird: Bl) Mischung von zumindest einem Konversionsmaterial und einem Glaspulver und gegebenenfalls weiteren Stoffen wie Lösemittel und Binder zur Erzeugung einer Dispersion,
B2) Aufbringen der Dispersion auf ein Substrat zur Erzeugung einer ersten Schicht,
B3) Trocknen der ersten Schicht bei mindestens 75 °C,
B4) Erhitzen des Substrats und der ersten Schicht auf eine Temperatur die mindestens so hoch ist wie die Temperatur, bei der die Glasmatrix der ersten Schicht eine Viskosität von 105 dPa*s (Fließpunkt) besitzt, wobei die Temperatur größer als 350 °C ist, und B5) gegebenenfalls Behandeln einer dem Substrat abgewandten Oberfläche der ersten Schicht.
Dispersion meint hier ein heterogenes Mischen von mindestens zwei Komponenten. Das Mischen kann beispielsweise per Hand oder mittels Speedmixer oder Dreiwalzwerk oder Rollenbock erfolgen . Dispersion beinhaltet hier auch eine Paste oder Suspension aus einem Konversionsmaterialpulver und einem
Glasmatrixpulver in einem Lösungsmittel. Zusätzlich können noch Binder (z.B. Polypropylencarbonat , Cellulose) oder andere Zusätze enthalten sein. Beispielsweise kann ein
Dispergator (z.B. Ammoniumpolymethacrylat ) oder ein
Plastifizierer (z.B. Propylencarbonat ) vorhanden sein.
Der Schritt B5 kann optional erfolgen. Das Behandeln im
Schritt B5 kann beispielsweise ein Glätten sein. Das Glätten kann durch Polieren oder Schleifen erfolgen. Vorzugsweise wird der Schritt B5 durchgeführt, wenn die erste Schicht der Hauptstrahlungsaustrittsfläche zugewandt ist, denn da kann eine Glättung oder ein Behandeln der Oberfläche der ersten Schicht von Vorteil sein, um die Kleberschicht möglichst dünn auszuformen und damit eine bessere Wärmeabfuhr zu erreichen. Die Behandlung der Oberfläche der ersten Schicht kann aber auch durch Aufbringen einer weiteren Beschichtung, wie beispielsweise einer Antireflexbeschichtung, erfolgen. Die im Schritt B4 beschriebene Temperatur liegt vorzugsweise über 350°C.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform erfolgt Schritt B2 mittels Rakeln, Siebdruck, Schablonendruck, Foliengießen, Spin Coating, Dispensen oder Sprühbeschichtung .
Verglichen mit Konversionselementen, die ein Silikon als Matrixmaterial aufweisen, weisen die hier beschriebenen
Konversionselemente eine hohe thermische Leitfähigkeit auf, eine bessere Temperaturstabilität und eine höhere Stabilität gegenüber Strahlung. Das Konversionselement weist eine bessere Wärmeabfuhr speziell mit derartigen Schichtdicken der Konversionselemente auf verglichen mit Konversionselementen mit Silikon als Matrix. Zudem kann die Streuung durch
Anpassung des Brechungsindexes besser gesteuert werden als mit Silikon als Matrixmaterial. Beispielsweise kann die
Streuung verringert werden, indem der Brechzahlunterschied zwischen der Glasmatrix der ersten Schicht und dem
Konversionsmaterial verringert wird, beispielsweise auf einen Brechzahlunterschied von <0,3 oder < 0,2 oder < 0,15 oder < 0,1. Die hier beschriebenen Konversionselemente können im
Vergleich zu herkömmlichen Konversionselementen viel dünner und mit einem höheren Füllgrad an dem Konversionsmaterial ausgeformt werden. Zusätzlich weist das Konversionselement ein Substrat auf, um eine ausreichende mechanische Stabilität zu gewährleisten. Dies ermöglicht ein leichtes mechanisches
Handhaben während des Aufbringens des Konversionselements auf die Hauptstrahlungsaustrittsfläche . Das Substrat ist
vorzugsweise transmissiv (transparent oder transluzent) ausgeformt. Vorzugsweise ist die erste Schicht auf der
Hauptstrahlungsaustrittsfläche aufgebracht. Dies ist für eine gute Wärmeabführung zur Halbleiterschichtenfolge von Vorteil und dient damit als Wärmesenke.
Das Konversionselement kann beispielsweise mittels Rakeln, Siebdruck, Schablonendruck, Dispensen, Sprühbeschichtung, Foliengießen, Spin Coating, elektrophoretischem Abscheiden oder anderer Methoden oder Kombinationen derartiger Methoden auf das Substrat aufgebracht werden. Das Bauelement kann für Bühnenbeleuchtung, Blitzlicht, im
Automobilbereich, Lampen, Anzeigen, Bremslichter, Endoskop, Geschäftsbeleuchtung und/oder Stadionbeleuchtung eingesetzt werden . Es können mehrere Bauelemente gleichzeitig hergestellt werden. Dies kann beispielsweise durch eine Beschichtung eines größeren Substrats und anschließendem Vereinzeln dieses Substrats zur Erzeugung mehrerer optoelektronischer
Bauelemente oder Konversionselemente erfolgen. Das Vereinzeln kann beispielsweise mittels Sägens, Ritzen und Brechen oder mit verschiedenen Lasertrennverfahren, wie z.B.
Lasersublimationsschneiden oder „Stealth Dicing", erfolgen. Dadurch können die Homogenität, die Ausbeute und die
Produktionskosten verbessert bzw. reduziert werden.
Wenn das Substrat eine gute Wärmeleitfähigkeit aufweist, ist es möglich, das Konversionselement auch substratseitig mittels eines Klebers auf die Hauptstrahlungsaustrittsfläche aufzubringen. Aufgrund der guten thermischen Leitfähigkeit wirkt das Substrat hier nicht als Wärmebarriere.
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 .
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 oder als Diffusionsbarriere für beispielsweise Alkalioxid aus dem Substrat dienen. Eine
Schutzschicht kann beispielsweise aus Aluminiumoxid oder Siliziumdioxid sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das
Konversionsmaterial einen Anteil in der ersten Schicht zwischen 0 und 50 Vol.-%, vorzugsweise zwischen 20 und 50 Vol.-% auf.
Als Glasmatrix können Gläser verwendet werden. Oxidische Gläser sind bevorzugt. Oxidische Gläser können
beispielsweise, aber nicht beschränkt auf diese,
Silikatgläser, Boratgläser, Borosilikatgläser,
Alumosilikatgläser, Phosphatgläser, Telluritgläser oder
Germanatgläser sein. Zudem können auch optische Gläser oder Gläser, die eine niedrige Transformationstemperatur haben, sog. „low Tg" Gläser, verwendet werden. Als Gläser können beispielsweise Bleioxid-enthaltende Gläser verwendet werden, wie beispielsweise Mischungen aus Bleioxid und Boroxid (PbO-B203) oder Bleioxid und Siliziumdioxid (PbO- Si02) oder Bleioxid, Boroxid und Siliziumdioxid (PbO-B203- Si02) oder Bleioxid, Boroxid, Zinkoxid ( PbO-B203-ZnO) oder Bleioxid, Boroxid und Aluminiumoxid ( PbO-B203-A1203 ) .
Die hier beschriebenen bleioxidhaltigen Gläser können zudem Bismutoxid oder Zinkoxid enthalten. Zudem können diese Gläser beispielsweise Erdalkalioxide, Alkalioxide, Aluminiumoxid, Zirkoniumoxid, Titandioxid, Hafniumdioxid, Nioboxid,
Tantaloxid, Tellurdioxid, Wolframoxid, Molybdänoxid,
Antimonoxid, Silberoxid, Zinnoxid und/oder andere
Seltenerdoxide enthalten.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Glasmatrix frei von Blei oder Bleioxid. Es können beispielsweise Bismutoxid- enthaltende Gläser verwendet werden. Beispielsweise können Gläser verwendet werden, die Bismutoxid und Boroxid (Bi203- B203) oder Bismutoxid, Boroxid, Siliziumdioxid (Bi203-B203- Si02) oder Bismutoxid, Boroxid, Zinkoxid (Bi203-B203-ZnO) oder Bismutoxid, Boroxid, Zinkoxid und Siliziumoxid (Bi203- B203-ZnO-Si02 ) enthalten. Die Bismutoxid-enthaltenden Gläser können zudem andere Glaskomponenten wie beispielsweise
Erdalkalioxide, Alkalioxide, Aluminiumoxid, Zirkoniumoxid,
Titandioxid, Hafniumoxid, Nioboxid, Tantaloxid, Tellurdioxid, Wolframoxid, Molybdänoxid, Antimonoxid, Silberoxid, Zinnoxid und/oder andere Seltenerdoxide enthalten. Alternativ können auch bleioxidfreie Gläser wie Zinkoxid- enthaltende Gläser verwendet werden. Beispielsweise kann als Glasmatrix Zinkoxid und Boroxid (ZnO-B203) oder Zinkoxid, Boroxid und Siliziumdioxid ( ZnO-B203-Si02 ) , Zinkoxid und Phosphorpentoxid (ZnO-P205) oder Zinkoxid, Zinnoxid und
Phosphorpentoxid ( ZnO-SnO-P205 ) oder Zinkoxid und
Tellurdioxid (ZnO-Te02) verwendet werden. Die zinkoxidhaltigen Gläser können weitere Bestandteile wie beispielsweise Erdalkalioxide, Alkalioxide, Aluminiumoxid, Zirkoniumoxid, Titanoxid, Hafniumoxid, Nioboxid, Tantaloxid, Tellurdioxid, Wolframoxid, Molybdänoxid, Antimonoxid,
Silberoxid, Zinnoxide und/oder andere Seltenerdoxide
enthalten.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform hat die Glasmatrix eine Erweichungstemperatur, die vorzugsweise im Bereich von 150 - 1000 °C, besser 150-950°C, insbesondere zwischen 200 - 800 °C, idealerweise im Bereich von 300-700 °C oder im Bereich von 350-650 °C, liegt. Bei der Erweichungstemperatur besitzt das Glas eine Viskosität von 107,6 dPa*s wie in der ISO 7884 definiert. Zudem besitzt die Glasmatrix eine Viskosität von 105 dPa*s im Bereich von 150 und 1400 °C, insbesondere im Bereich von 250 - 1200 °C, beispielsweise im Bereich von 250- 650°C oder im Bereich von 600-1200°C (Grenzen jeweils
miteingeschlossen) .
Insbesondere ist die obere Temperaturgrenze bei der
Herstellung des Konversionselementes nicht mehr als 1400°C, oder < 1350 °C, oder < 1300 °C, oder < 1250 °C, oder < 1200 °C, oder < 1150 °C, oder < 1100 °C, oder < 1050 °C, oder < 1000 °C, oder < 950 °C, oder < 900 °C, oder < 850 °C, oder < 800 °C, oder < 700 °C, oder < 650 °C, oder < 600 °C oder < 550 °C. Dies hängt auch von der Erweichungstemperatur des
Substrates ab, die dabei nicht überschritten werden sollte. Gemäß zumindest einer Ausführungsform enthält die Glasmatrix Zinkoxid und gehört zu dem System Zinkoxid, Boroxid und
Siliziumdioxid ( ZnO-B203-Si02 ) , Bismutoxid, Boroxid, Zinkoxid und Siliziumdioxid (Bi203-B203-ZnO-Si02 ) und/oder Zinkoxid und Tellurdioxid (ZnO-Te02). Der Brechungsindex des Zinkoxid- Boroxid-Siliziumdioxid ist ungefähr 1,6. Der Brechungsindex für Bismutoxid, Boroxid, Zinkoxid und Siliziumdioxid als Glasmatrix ist ungefähr 2,0, die Glasmatrix mit Tellurdioxid mit Zinkoxid ist ebenfalls hochbrechend und liegt bei ca. 1,9. Vorzugsweise ist das Konversionselement sehr stabil gegenüber Feuchtigkeit.
Um derartige optoelektronische Bauelemente für den
Automobilbereich zu verwenden, ist es von Vorteil, wenn diese Bauelemente eine hohe Feuchtestabilität aufweisen,
beispielsweise eine Stabilität bei 1000 Stunden bei 85 °C mit 85 % relativer Luftfeuchtigkeit. Vorzugsweise werden als Glasmatrix Telluritgläser oder Silikatgläser oder
Boratgläser, die Siliziumdioxid enthalten, verwendet. Der Siliziumdioxidanteil der Boratgläser ist vorzugsweise ^ 1 mol% und ^ 20 mol%, vorzugsweise ^ 3 mol%, vorzugsweise ^ 5 mol%. Es können auch Silikatgläser mit einem
Siliziumdioxidanteil von > 20 mol%, oder > 25 mol%, oder > 30 mol%, oder > 35 mol%, oder > 40 mol%, oder > 45 mol%, oder > 50 mol%, oder > 55 mol%, oder > 60 mol%, oder > 65 mol%, oder > 70 mol%, oder > 75 mol%, oder > 80 mol% verwendet werden. Vorzugsweise enthalten die Gläser Zinkoxid mit einem Anteil von mindestens 1 mol%, d.h. die Komponente ist nicht über RohstoffVerunreinigungen, sondern gezielt eingebracht worden, und maximal 50 mol%. Ebenso können Alumosilikatgläser, beispielsweise ein Erdalkali-Alumosilikatglas, eingesetzt werden . Weitere Vorteile, vorteilhafte Ausführungsformen und
Weiterbildungen ergeben sich aus den im Folgenden in
Verbindung mit den Figuren beschriebenen
Ausführungsbeispielen. Es zeigen:
Die Figur 1 eine elektronenmikroskopische Aufnahme gemäß eines Ausführungsbeispiels, die Figuren 2A bis 2G jeweils ein optoelektronisches
Bauelement gemäß einer Ausführungsform.
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 z. B. Schichten, Bauteile, Bauelemente und
Bereiche zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt werden.
Im Folgenden werden verschiedene Ausführungsbeispiele des hier beschriebenen optoelektronischen Bauelements aufgezeigt, die eine unterschiedliche Glasmatrix 221 aufweisen. Ausführungsbeispiel 1: ZnO-B203~Si02 als Glasmatrix 221
(Brechungsindex ungefähr 1,6)
Eine Paste, die mit einem Pulver eines Glas, bestehend aus Zinkoxid, Boroxid, Siliziumdioxid und Aluminiumoxid, einem Granat als Konversionsmaterialpulver und einem herkömmlichen Siebdruckmedium, bestehend aus einem Binder und einem
Lösemittel, wurde hergestellt und dann auf das Substrat mit einer der gängigen Beschichtungsmethoden aufgebracht. Das Aufbringen kann beispielsweise mittels Rakeln oder durch Sieb- oder Schablonendruck mit einer Schichtdicke im nassen Zustand zwischen 30 und 200 ym, vorzugsweise 50 bis 150 ym, insbesondere zwischen 60 und 130 ym, erfolgen. Nach dem
Trocknen kann das Konversionselement bei einer Temperatur von beispielsweise 600 °C getempert werden. Nach dem Tempern kann das Konversionselement 2 ein Konversionsmaterial 222 mit einem Anteil von 25 Vol.-% enthalten. Das Aluminiumoxid ist insbesondere nur in geringen Mengen vorhanden. Das Aluminiumoxid wurde in der obigen Formel nicht berücksichtigt .
Die Figur 1 zeigt exemplarisch eine
rasterelektronenmikroskopische Aufnahme (REM) eines
Konversionselements 2 gemäß einer Ausführungsform. Die
Schichtdicke des Konversionselements 2 ist ungefähr 85 ym nach einer Tempertemperatur von ungefähr 600 °C für dreißig Minuten. Das Konversionsmaterial 2 weist einen Anteil von ungefähr 22 Vol.-% in der ersten Schicht 22 auf. Als Substrat 21 wurde ein Borosilikatglas mit einer guten chemischen
Resistenz verwendet.
Die gemessene Quanteneffizienz des Beispiels der Figur 1 ist
(absoluter Wert) . Die gemessene Absorption lag bei
1,8 % in einem Wellenlängenbereich von 680 bis 720 nm. Beide Werte zeigen, dass die hier beschriebenen Konversionselemente 2 in den hier beschriebenen optoelektronischen Bauelementen 100 exzellente Eigenschaften aufweisen. Die Quanteneffizienz und die Absorption wurde mit einem Hamamatsu-Quantaurus- Aufbau gemessen. Ausführungsbeispiel 2: ZnO-E>203- S i02 als Glasmatrix 221
(Brechungsindex ungefähr 1,6)
Es wurde eine Paste, aus einem Glaspulver gemäß dem
Ausführungsbeispiel 1, YAGaG als Konversionsmaterial in
Pulverform und einem herkömmlichen Siebdruckmedium
hergestellt und dann auf einem Borosilikatglas als Substrat aufgebracht. Das Aufbringen erfolgte mittels Rakeln. Das Substrat weist eine gute chemische Resistenz auf. Die
Spalthöhe des Rakels war 100 ym. Die Substratdicke war ungefähr 0,7 mm. Nach dem Trocknen bei 80°C wurde das
Konversionselement bei 600 °C für eine Minute getempert und mit einer Heizrate von 10 K/min aufgeheizt. Nach dem
Temperschritt enthielt das Konversionselement einen
Konversionsmaterialanteil von 28 Vol.-% (berechnet ohne
Poren) und eine Schichtdicke von ungefähr 20 ym der ersten Schicht 22.
Ausführungsbeispiel 3: ZnO-B203~ S i02 als Glasmatrix
(Brechungsindex ungefähr 1,6)
Das Ausführungsbeispiel 3 wurde wie das Ausführungsbeispiel 2 hergestellt und bei einer Temperatur von 600 °C für dreißig Minuten getempert. Die Schichtdicke der getemperten ersten Schicht ist ungefähr 20 ym.
Ausführungsbeispiel 4: ZnO-B203~ S i02 als Glasmatrix
(Brechungsindex ungefähr 1,6) Das Ausführungsbeispiel 4 wurde wie das Ausführungsbeispiel 3, aber mit einer Spalthöhe von 60 ym hergestellt. Die Dicke der getemperten ersten Schicht ist ungefähr 13 ym. Die Leuchtdichte der Ausführungsbeispiele 2, 3, und 4 wurde bei 1000 mA gemessen. Das Ausführungsbeispiel 3 zeigt die besten Werte und ist vergleichbar mit den Leuchtdichten von Keramikkonvertern .
Die Figuren 2A bis 2G zeigen jeweils eine schematische
Seitenansicht eines optoelektronischen Bauelements 100 gemäß einer Ausführungsform. Das optoelektronische Bauelement 100 der Figur 2A weist eine Halbleiterschichtenfolge 1 auf. Die Halbleiterschichtenfolge
1 kann beispielsweise aus InAlGaN sein. Die
Halbleiterschichtenfolge 1 weist einen aktiven Bereich auf, der zumindest über eine Hauptstrahlungsaustrittsflache 11 im Betrieb Strahlung emittiert. Beispielsweise emittiert die Halbleiterschichtenfolge 1 Strahlung aus dem blauen
Spektralbereich. Direkt auf der
Hauptstrahlungsaustrittsflache 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 2D bis 2G 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 2B) . Die erste Schicht 22 kann eine Glasmatrix 221 aufweisen. In der Glasmatrix 221 kann zumindest ein Konversionsmaterial 222 eingebettet sein. Es können auch mehr als ein
Konversionsmaterial 222 in der Glasmatrix 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 2C 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 einer Glasmatrix 221, 223 eingebettet. Die Glasmatrix 221, 223 kann beispielsweise ein Telluritglas sein. Die Glasmatrix 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 Keramik sein.
Die Figur 2D zeigt, dass zwischen der
Halbleiterschichtenfolge 1 und dem Konversionselement 2 eine Kleberschicht 3 angeordnet ist. Wie in Figur 2E gezeigt, kann zwischen der
Hauptstrahlungsaustrittsfläche 11 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 2F gezeigt, kann zwischen der
Hauptstrahlungsaustrittsflache 11 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 2G 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. Der Verguss 6 kann außerdem
Füllstoffe, wie beispielsweise Ti02 Partikel, enthalten. Das Gehäuse 7 kann auch nur teilweise mit dem Verguss 6 gefüllt werden, beispielsweise bis zur Oberkante des
optoelektronischen Bauelements 100.
Die in Verbindung mit den Figuren beschriebenen
Ausführungsbeispiele und deren Merkmale können gemäß weiteren Ausführungsbeispielen 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 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 und Ausführungsbeispielen angegeben ist.
Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Patentanmeldung 10 2017 104 133.8, deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.
Bezugs zeichenliste
100 optoelektronisches Bauelement
1 Halbleiterschichtenfolge
11 HauptStrahlungsaustrittsfläche
2 Konversionselement
21 Substrat
22 erste Schicht
221 Glasmatrix
222 Konversionsmaterial
223 Glasmatrix
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
1. 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 eine erste Schicht (22) aufweist, wobei die erste Schicht (22) zumindest ein
Konversionsmaterial (222) aufweist, das in einer
Glasmatrix (221) eingebettet ist,
- wobei die Glasmatrix (221) einen Anteil von 50 bis 80 Vol.-% in der ersten Schicht (22) aufweist,
- wobei das Substrat (21) frei von der Glasmatrix (221) und dem Konversionsmaterial (222) ist und zur
mechanischen Stabilisierung der ersten Schicht (22) dient,
- wobei die erste Schicht (22) eine Schichtdicke von
kleiner als 200 ym aufweist.
2. Optoelektronisches Bauelement (100) nach Anspruch 1, wobei das Substrat (21) Glas, Glaskeramik, Keramik oder
Saphir ist.
3. Optoelektronisches Bauelement (100) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei das Substrat (21) eine höhere Erweichungstemperatur als die Erweichungstemperatur der Glasmatrix (221) aufweist.
4. Optoelektronisches Bauelement (100) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei zwischen der Hauptstrahlungsaustrittsflache (11) und der ersten Schicht (22) das Substrat (21) angeordnet ist.
5. Optoelektronisches Bauelement (100) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3,
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 die erste Schicht (22) eine dem Substrat (21)
abgewandte Oberfläche (8) aufweist, die oberflächenbehandelt ist.
7. Optoelektronisches Bauelement (100) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei das freitragende Konversionselement (2) mittels eines Klebers (3) auf der Hauptstrahlungsaustrittsfläche (11) angeordnet ist.
8. Optoelektronisches Bauelement (100) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei die Glasmatrix (221) oxidisch ist und zumindest eines der folgenden Materialien aufweist: Bleioxid, Bismutoxid, Boroxid, Siliziumdioxid, Tellurdioxid, Phosphorpentoxid, Aluminiumoxid oder Zinkoxid.
9. Optoelektronisches Bauelement (100) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei die Glasmatrix (221) ZnO, B2O3 und S1O2 umfasst.
10. Optoelektronisches Bauelement (100) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei die Glasmatrix (221) ZnO, zumindest einen Glasbildner und einen Netzwerkwandler oder ein Zwischenoxid aufweist, der zumindest eines der folgenden Materialien umfasst:
Erdalkalioxid, Alkalioxid, Aluminiumoxid, Zirkoniumoxid, Nioboxid, Tantaloxid, Tellurdioxid, Wolframoxid,
Molybdänoxid, Antimonoxid, Silberoxid, Zinnoxid, Oxid der Seltenen Erden.
11. Optoelektronisches Bauelement (100) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei die Glasmatrix (221) ein Telluritglas , ein Silikatglas, ein Alumosilikatglas , ein Boratglas, ein Borosilikatglas oder ein Phosphatglas ist.
12. Optoelektronisches Bauelement (100) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei die Glasmatrix (221) einen Anteil von maximal 75 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) AIS1N3 : Eu2+,
(Sr,Ba,Ca,Mg)2Si5N8:Eu2+, (Ca, Sr, Ba) 2S1O4 : 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+ .
14. Optoelektronisches Bauelement (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Substrat (21) eine Dicke von 50 ym bis 200 ym aufweist .
15. Optoelektronisches Bauelement (100) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei die Kleberschicht (3) eine Dicke von 500 nm bis 15 ym aufweist .
16. Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen
Bauelements (100) nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 15 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) Mischung von zumindest einem Konversionsmaterial (222) und einem Glaspulver, das nach einem späteren
Verglasungsschritt die Glasmatrix (221) erzeugt, und
gegebenenfalls weiteren Stoffen wie Lösemittel und Binder zur Erzeugung einer Paste,
B2) Aufbringen der Paste oder Dispersion auf ein Substrat (21) zur Erzeugung einer ersten Schicht (22),
B3) Trocknen der ersten Schicht (22) bei mindestens 75 °C, B4) Erhitzen des Substrats (21) und der ersten Schicht (22) auf eine Temperatur die mindestens so hoch ist wie die
Temperatur, bei der die Glasmatrix (221) der ersten Schicht (22) eine Viskosität von 105 dPa*s besitzt, wobei die
Temperatur größer als 350°C ist , und
B5) gegebenenfalls Behandeln einer dem Substrat (21)
abgewandten Oberfläche (8) der ersten Schicht.
17. Verfahren nach Anspruch 16,
wobei Schritt B2) mittels Rakeln, Siebdruck, Schablonendruck, Foliengießen, Dispensen, Spin Coating oder Sprühbeschichtung erfolgt .
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