DE102016105103A1

DE102016105103A1 - Verfahren zur Herstellung eines Konversionselements, Konversionselement und optoelektronisches Bauelement

Info

Publication number: DE102016105103A1
Application number: DE102016105103.9A
Authority: DE
Inventors: Georg Dirscherl; David O'Brien
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2016-03-18
Filing date: 2016-03-18
Publication date: 2017-09-21
Also published as: WO2017158053A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Konversionselements (100) mit den Schritten: A) Bereitstellen von Quantenpunkten (1), die zur Wellenlängenumwandlung von Strahlung eingerichtet sind und die eine Oberflächenbeschichtung mit endständigen C-C-Doppelbindungen (11) aufweisen, B) Bereitstellen eines Matrixmaterials (2), das eine erste Komponente (21) und eine zweite Komponente (22) umfasst, wobei die erste Komponente (21) zumindest zwei Si-H-Gruppen aufweist, wobei die zweite Komponente (22) zumindest zwei endständige C-C-Doppelbindungen aufweist, C) Anbinden der ersten Komponente (21) an die endständige C-C-Doppelbindung der Quantenpunkte (1) mittels Hydrosilylierung, wobei die im Schritt C) durchgeführte Anbindung thermisch erfolgt, wobei die Temperatur mindestens 80 °C ist, D) Anbinden der zweiten Komponente (22) über zumindest eine endständige C-C-Doppelbindung der zweiten Komponente (22) an die erste Komponente (21) nachdem die erste Komponente (21) im Schritt C) angebunden wurde, E) Polymerisation der im Schritt D) erzeugten funktionalisierten Quantenpunkte, so dass ein Netzwerk aus Quantenpunkten (1) erzeugt wird, die an dem Matrixmaterial (2) angebunden sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Konversionselements. Ferner betrifft die Erfindung ein Konversionselement. Ferner betrifft die Erfindung ein optoelektronisches Bauelement.
Konversionselemente weisen häufig Konversionsmaterialien, beispielsweise Quantenpunkte, auf. Die Konversionsmaterialien wandeln die von einer Strahlungsquelle emittierte Strahlung in eine Strahlung mit veränderter, beispielsweise längerer, Wellenlänge um. Die Konversionsmaterialien sind in der Regel in einem polymerbasierten Matrixmaterial auf Acrylbasis eindispergiert. Damit bestehen die Konversionselemente aus Konversionsmaterialien und Matrixmaterial, also einem zweiphasigen System. Diese zweiphasigen Systeme weisen in der Regel eine schlechte Mischbarkeit auf. Ferner kann es zu möglichen Phasenseparationen und zur Streuung an der Grenzfläche zwischen den Konversionsmaterialien und dem Matrixmaterial kommen. Zudem sind polymerbasierte Matrixmaterialien in der Regel permeabel für Feuchtigkeit und/oder Sauerstoff und/oder sauren Gasen aus der Umwelt. Ferner weisen polymerbasierte Matrixmaterialien eine geringe Alterungsstabilität auf. Zudem ist eine homogene und kontrollierbare Verteilung der Konversionsmaterialien in dem Matrixmaterial schwer einstellbar. Daher sind derartige Konversionselemente in der Regel für optoelektronische Bauelemente, beispielsweise Leuchtdioden, nur bedingt einsetzbar. Die US 2015/0054425 A1 beschreibt Nanokomposit-Zusammensetzungen und deren Herstellung.
Eine Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung eines Konversionselements bereitzustellen, das ein Konversionselement mit verbesserten Eigenschaften herstellt. Insbesondere soll ein Konversionselement bereitgestellt werden, das eine hohe Transparenz und/oder keine Mischbarkeitsprobleme während der Herstellung aufweist. Zudem soll das Konversionselement eine hohe Effizienz aufweisen. Ferner ist Aufgabe der Erfindung, ein Konversionselement und/oder ein optoelektronisches Bauelement bereitzustellen, das verbesserte Eigenschaften aufweist.
Diese Aufgaben werden durch ein Verfahren zur Herstellung eines Konversionselements gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Ferner werden diese Aufgaben durch ein Konversionselement gemäß dem unabhängigen Anspruch 12 und durch ein optoelektronisches Bauelement gemäß dem unabhängigen Anspruch 13 gelöst.
In zumindest einer Ausführungsform weist das Verfahren zur Herstellung eines Konversionselements die Schritte auf:

A) Bereitstellen von Quantenpunkten, die zur Wellenlängenumwandlung von Strahlung eingerichtet sind und die eine Oberflächenbeschichtung mit endständigen C-C-Doppelbindungen aufweisen,
B) Bereitstellen eines Matrixmaterials, das eine erste Komponente und eine zweite Komponente umfasst, wobei die erste Komponente zumindest zwei Si-H-Gruppen aufweist, wobei die zweite Komponente zumindest zwei endständige C-C-Doppelbindungen aufweist,
C) Anbinden der ersten Komponente an die endständige C-C-Doppelbindung der Quantenpunkte mittels Hydrosilylierung, wobei insbesondere die im Schritt C) durchgeführte Polymerisation oder Anbindung thermisch erfolgt, wobei die Temperatur mindestens 80 °C ist,
D) Anbinden der zweiten Komponente über zumindest eine endständige C-C-Doppelbindung der zweiten Komponente an die erste Komponente, nachdem die erste Komponente im Schritt C) an die Quantenpunkte angebunden wurde und
E) Polymerisation der im Schritt D) erzeugten funktionalisierten Quantenpunkte, sodass ein Netzwerk aus Quantenpunkten erzeugt wird, die an dem Matrixmaterial angebunden sind.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Verfahren den Schritt A) Bereitstellen von Quantenpunkten auf. Die Quantenpunkte sind zur Wellenlängenkonversion oder Wellenlängenumwandlung eingerichtet.
Bei den wellenlängenkonvertierenden Quantenpunkten handelt es sich insbesondere um ein empfindliches Konversionsmaterial, also einem gegenüber Sauerstoff, Feuchte und/oder sauren Gasen sensitives Konversionsmaterial. Bevorzugt handelt es sich bei den Quantenpunkten um Nanopartikel, das heißt Teilchen mit einer Größe im Nanometerbereich mit einem Partikeldurchmesser d₅₀, zum Beispiel zwischen wenigstens 1 nm und höchstens 1000 nm. Die Quantenpunkte umfassen einen Halbleiterkern, der wellenlängenkonvertierende Eigenschaften aufweist. Insbesondere umfasst oder besteht der Kern der Quantenpunkte aus einem II/IV- oder III/V-Halbleiter.
Beispielsweise sind die Quantenpunkte aus einer Gruppe ausgewählt, die InP, CdS, CdSe, InGaAs, GaInP und CuInSe₂ umfasst. Der Halbleiterkern kann von einer oder mehreren Schichten als Beschichtung ummantelt sein. Die Beschichtung kann organisch und/oder anorganisch sein. Mit anderen Worten kann der Halbleiterkern an dessen Außenfläche oder Oberfläche vollständig oder nahezu vollständig von weiteren Schichten bedeckt sein.
Der Halbleiterkern kann ein einkristallines oder polykristallines Agglomerat sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weisen die Quantenpunkte einen durchschnittlichen Durchmesser von 3 nm bis 10 nm, besonders bevorzugt von 3 nm bis 5 nm, auf. Durch die Variation der Größe der Quantenpunkte kann gezielt die Wellenlänge der konvertierenden Strahlung variiert werden und damit für jeweilige Anwendungen entsprechend angepasst werden. Die Quantenpunkte können kugelförmig oder stäbchenförmig ausgeformt sein.
Eine erste ummantelnde Schicht eines Quantenpunkts ist beispielsweise mit einem anorganischen Material, wie beispielsweise Zinksulfid, Cadmiumsulfid und/oder Cadmiumselenid gebildet und dient der Erzeugung des Quantenpunktpotentials. Die erste ummantelnde Schicht und der Halbleiterkern können von zumindest einer zweiten ummantelnden Schicht an der freiliegenden Oberfläche nahezu vollständig umschlossen sein. Insbesondere ist die erste ummantelnde Schicht eine anorganische Ligandenhülle, die insbesondere einen durchschnittlichen Durchmesser inklusive des Halbleiterkerns von 1 nm bis 10 nm aufweist. Die zweite ummantelnde Schicht kann beispielsweise mit einem organischen Material, wie beispielsweise Cystamin oder Cystein, gebildet sein und dient mitunter der Verbesserung der Löslichkeit der Quantenpunkte in beispielsweise einem Matrixmaterial und/oder einem Lösungsmittel. Hierbei ist es möglich, dass aufgrund der zweiten ummantelnden Schicht eine räumliche gleichmäßige Verteilung der Quantenpunkte in einem Matrixmaterial verbessert wird. Das Matrixmaterial kann beispielsweise mit zumindest einem der folgenden Stoffe gebildet sein: Acrylat, Silikon, Hybridmaterial, wie Ormocer, beispielsweise Ormoclear, Polydimethylsiloxan (PDMS), Polydiphenylsiloxan (PDPS), zum Beispiel von der Firma PLT, Pacific Light Technologies, oder Mischungen daraus.
Acrylfunktionalisierte Quantenpunkte, wie Ormoclear, können zum Beispiel von der Firma Nanoco bezogen werden.
Beim Eindispergieren der Quantenpunkte in ein anorganisches oder organisches Matrixmaterial ergibt sich oft das Problem, dass das Matrixmaterial nicht sehr stabil ist. Zudem handelt es sich um eine transparente Zweikomponentenmischung. Ferner ist das Matrixmaterial permeabel gegenüber Feuchtigkeit und Umwelteinflüssen, beispielsweise sauren Gasen. Zudem kann ein optimaler Abstand zwischen den einzelnen Quantenpunkten nicht hinreichend genug eingestellt werden, sodass ein Quenchen der emittierten Strahlung erhöht wird. Dies führt zu Effizienzverlusten des Konversionselements.
Die Quantenpunkte weisen eine Oberflächenbeschichtung auf. Die Oberflächenbeschichtung ist insbesondere organisch. Vorzugsweise bildet die zweite ummantelnde Schicht die Oberflächenbeschichtung der Quantenpunkte mit endständigen Doppelbindungen. Mit anderen Worten sind an der Oberfläche der Quantenpunkte chemische Verbindungen angebunden, die eine terminale, also endständige, Doppelbindung (C = C) aufweisen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die endständige Doppelbindung zumindest eines Quantenpunkts Teil eines Vinylrestes, eine Methacrylatrestes oder Acrylatrestes.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Verfahren einen Schritt B) auf, Bereitstellen eines Matrixmaterials, das eine erste Komponente und eine zweite Komponente umfasst, wobei die erste Komponente zumindest zwei Si-H-Gruppen, insbesondere endständige Si-H-Gruppen, aufweist, wobei die zweite Komponente zumindest zwei endständige C-C-Doppelbindungen aufweist. Mit anderen Worten wird ein Matrixmaterial bereitgestellt, das eine erste Komponente, die insbesondere ein Härter ist, und eine zweite Komponente, die insbesondere ein Harz ist, aufweist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die zweite Komponente ein C-C-doppelbindungsfunktionales Polydimethylsiloxan (PDMS), insbesondere ein vinyl-funktionalisiertes Polydimethylsiloxan. Alternativ ist die zweite Komponente ein C-C-doppelbindungsfunktionalisiertes Polydiphenylsiloxan (PDPS), insbesondere ein vinyl-funktionalisiertes Polydiphenylsiloxan. Alternativ ist die zweite Komponente eine Mischung aus einem vinyl-funktionalisierten Polydimethylsiloxan und einem vinyl-funktionalisierten Polydiphenylsiloxan, also einem vinyl-funktionalisierten Polymethylphenylsiloxan.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die erste Komponente des Matrixmaterials ein Silan, insbesondere ein Disilan, weist also zwei Si-H-Gruppen auf. Insbesondere sind die Si-H-Gruppen endständig, also terminal an der ersten Komponente angebunden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens wird die erste Komponente an die endständige C-C-Doppelbindung der Quantenpunkte angebunden. Die Anbindung erfolgt insbesondere mittels Hydrosilylierung. Die Hydrosilylierung bezeichnet die syn-selektive Anti-Markovnikov Addition eines Silans an eine Doppelbindung. Es entsteht damit eine Ankopplung eines Siliziumatoms an ein Kohlenstoffatom.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens weist dieses einen Schritt D) auf, Anbinden der zweiten Komponente über zumindest eine endständige C-C-Doppelbindung an die erste Komponente, nachdem die erste Komponente im Schritt C) angebunden wurde. Mit anderen Worten wird hier eine sukzessive Anbindung des Matrixmaterials an die Quantenpunkte erzeugt. Zum Ersten wird die erste Komponente an die Quantenpunkte angebunden. Nachdem die Anbindung der ersten Komponente an die Quantenpunkte erfolgte, erfolgt die Anbindung der zweiten Komponente an die Quantenpunkte. Damit können Quantenpunkte in einem Matrixmaterial eingebunden werden, wobei die Quantenpunkte homogen in dem Matrixmaterial eingebunden sind und keine Agglomerierung aufweisen. Dies bewirkt eine hohe Transparenz des Konversionselements. Zudem ergeben sich keine Mischbarkeitsprobleme durch die Anbindung der Quantenpunkte an das Matrixmaterial. Zudem handelt es sich um ein sogenanntes Einphasensystem aus Matrixmaterial mit angebundenen Quantenpunkten, sodass keine Phasenseparierung oder Streuung an den Grenzflächen erfolgt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens weist dieses einen Schritt E) auf, Polymerisation der im Schritt D) erzeugten funktionalisierten Quantenpunkte, sodass ein Netzwerk aus Quantenpunkten erzeugt wird, die an dem Matrixmaterial angebunden sind. Das Matrixmaterial dient unter anderem zur Beanstandung der Quantenpunkte. Damit wird ein Netzwerk aus Quantenpunkten und Matrixmaterial gebildet. Insbesondere ist das Netzwerk ein zweidimensionales und/oder dreidimensionales Netzwerk. Mit Netzwerk wird hier und im Folgenden verstanden, dass die Quantenpunkte die sogenannten Knotenpunkte des Netzwerks bilden, und das Matrixmaterial die Verbindungslinien zwischen den Quantenpunkten. Insbesondere sind die Quantenpunkte und das Matrixmaterial über chemische Bindungen, insbesondere über kovalente und/oder koordinative Bindungen, miteinander verbunden. Die im Schritt D) angebundene zweite Komponente kann mittels Hydrosilylierung an die terminalen Si-H-Gruppen der beladenen Quantenpunkte angekoppelt werden.
Die Polymerisation der Quantenpunkte untereinander zur Ausbildung des Netzwerks kann thermisch, anionisch, kationisch und/oder radikalisch erfolgen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform erfolgt die im Schritt C) durchgeführte Anbindung thermisch. Eine Aktivierungsenergie ist für das Anbinden der ersten Komponente an die endständige C-C-Doppelbindung der Quantenpunkte mittels Hydrosilylierung bevorzugt. Die Temperatur der Polymerisation ist mindestens 80 °C, mindestens 90 °C, mindestens 100 °C, mindestens 110 °C mindestens 120 °C oder mindestens 150 °C, beispielsweise 95 °C. Dadurch kann mit Vorteil eine optimale Anbindung der ersten Komponente erreicht werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform erfolgt die im Schritt E) durchgeführte Polymerisation, insbesondere die abschließende Polymerisation via Hydrosilylierung bei einer Temperatur zwischen 100 °C und 200 °C, beispielsweise bei 150 °C.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform erfolgt die im Schritt E) durchgeführte Polymerisation radikalisch.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird bei der radikalischen Polymerisation ein thermischer Initiator oder UV-Initiator verwendet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird als Initiator für die radikalische Polymerisation Lucrin-TPO-L verwendet. Lucrin-TPO-L ist Ethyl-2,4,6-Trimethylbenzoylphenylphosphinat mit der Strukturformel
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird die im Schritt D) angebundene zweite Komponente im Unterschuss dazugegeben. Unterschuss meint hier und im Folgenden insbesondere, dass die zweite Komponente einen Gewichtsanteil von einigen ppm bis 0,1 Gew% bezogen auf den Gesamtanteil im Konversionselement aufweist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird die im Schritt C) angebundene erste Komponente im Überschuss dazugegeben. Überschuss meint hier und im Folgenden insbesondere, dass die erste Komponente einen Gewichtsanteil von 55 Gew% bis 95 Gew% bezogen auf den Gesamtanteil im Konversionselement aufweist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Polymerisation im Schritt E) eine Hydrosilylierung.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die Quantenpunkte aus einer Gruppe ausgewählt, die Indiumphosphid (InP), Cadmiumsulfid (CdS), Cadmiumselenid (CdSe) und Kupferindiumselenid (CuInSe₂) umfasst. Alternativ oder zusätzlich kann die Oberflächenbeschichtung eine organische Beschichtung sein, die endständige C-C-Doppelbindungen aufweist.
Die Erfinder haben erkannt, dass durch die Verwendung der hier beschriebenen Konversionselemente ein Einphasensystem bereitgestellt werden kann, das keine Phasenseparierung oder Streuung an den Grenzflächen aufweist. Zudem werden die Quantenpunkte in dem Matrixmaterial eingebunden, sodass das Konversionselement eine hohe Transparenz, eine hohe Homogenität und keine Agglomerierung aufweist. Die Quantenpunkte sind daher in dem Matrixmaterial gut mischbar, sodass sich keine Mischbarkeitsprobleme zwischen beispielsweise Quantenpunkte und vinylhaltigem Harz, wie PDMS, ergeben. Insbesondere ist das Matrixmaterial auf Silikonbasis, sodass die Anbindung des Matrixmaterials an die Quantenpunkte eine hohe Alterungsstabilität aufweist und das Konversionselement hervorragend für optoelektronische Bauelemente, wie Leuchtdioden, einsetzbar ist.
Die Erfindung betrifft ferner ein Konversionselement. Vorzugsweise wird das Konversionselement mit dem oben beschriebenen Verfahren hergestellt. Dabei gelten alle im Zusammenhang mit dem Verfahren zur Herstellung des Konversionselements gemachten Ausführungen und Definitionen auch für das Konversionselement und umgekehrt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das Konversionselement Quantenpunkte. Die Quantenpunkte sind zur Wellenlängenumwandlung von Strahlung eingerichtet. Die Quantenpunkte weisen eine Oberflächenbeschichtung auf. Das Konversionselement weist ein Matrixmaterial auf. Benachbarte Quantenpunkte sind über dieses Matrixmaterial zur Beabstandung der Quantenpunkte miteinander verbunden, sodass ein Netzwerk aus Quantenpunkten und Matrixmaterial gebildet ist. Das Matrixmaterial ist aus einer ersten und zweiten Komponente gebildet. Die erste Komponente weist zumindest zwei Si-H-Gruppen, insbesondere endständige Si-H-Gruppen, auf. Die zweite Komponente weist zumindest zwei endständige C-C-Doppelbindungen auf. Insbesondere ist die erste Komponente an zumindest eine endständige C-C-Doppelbindung der Quantenpunkte mittels Hydrosilylierung und die zweite Komponente über die endständigen C-C-Doppelbindungen der zweiten Komponente an die erste Komponente angebunden. Insbesondere erfolgt die Anbindung der ersten Komponente an die zweite Komponente mittels Hydrosilylierung.
Es wird ferner ein optoelektronisches Bauelement angegeben. Vorzugsweise weist dieses optoelektronische Bauelement einen Halbleiterchip und ein oben beschriebenes Konversionselement auf. Das Konversionselement ist insbesondere mit dem oben beschriebenen Verfahren erhältlich. Dabei gelten alle im Zusammenhang mit dem Verfahren zur Herstellung des Konversionselements und dem Konversionselement gemachten Ausführungen und Definitionen auch für das optoelektronische Bauelement und umgekehrt.
Das optoelektronische Bauelement ist vorzugsweise eine lichtemittierende Leuchtdiode, kurz LED. Das optoelektronische Bauelement ist vorzugsweise dazu eingerichtet, blaues Licht oder weißes Licht zu emittieren. Alternativ kann das optoelektronische Bauelement auch andere Farben, beispielsweise Rot, Orange, Grün, oder Strahlung aus dem IR-Bereich oder eines Lasers emittieren. Das optoelektronische Bauelement weist zumindest einen Halbleiterchip auf. Der Halbleiterchip kann eine Halbleiterschichtenfolge aufweisen. Die Halbleiterschichtenfolge des Halbleiterchips basiert bevorzugt auf einem III-V-Verbindungshalbleitermaterial. Bei dem Halbleitermaterial handelt es sich bevorzugt um ein Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial, wie Al_nIn_1-n-mGa_mN, oder auch um ein Phosphid-Verbindungshalbleitermaterial, wie Al_nIn_1-n-mGa_mP, wobei jeweils 0 ≤ n ≤ 1, 0 ≤ m ≤ 1 und n + m ≤ 1 ist. Ebenso kann es sich bei dem Halbleitermaterial um Al_xGa_1-xAs handeln mit 0 ≤ x ≤ 1. Dabei kann die Halbleiterschichtenfolge Dotierstoffe sowie zusätzliche Bestandteile aufweisen. Der Einfachheit halber sind jedoch nur die wesentlichen Bestandteile des Kristallgitters der Halbleiterschichtenfolge, also Al, As, Ga, In, N oder P, angegeben, auch wenn diese teilweise durch geringe Mengen weiterer Stoffe ersetzt und/oder ergänzt sein können.
Die Halbleiterschichtenfolge beinhaltet eine aktive Schicht mit mindestens einem pn-Übergang und/oder mit einer oder mit mehreren Quantentopfstrukturen. Im Betrieb des optoelektronischen Bauelements oder des Halbleiterchips wird in der aktiven Schicht eine elektromagnetische Strahlung erzeugt. Eine Wellenlänge oder ein Wellenlängenmaximum der Strahlung liegt bevorzugt im ultravioletten und/oder sichtbaren und/oder infraroten Spektralbereich, insbesondere bei Wellenlängen zwischen einschließlich 420 nm und 800 nm, zum Beispiel zwischen einschließlich 440 nm und 480 nm.
Das Konversionselement ist insbesondere im Strahlengang des Halbleiterchips angeordnet. Insbesondere bedeckt das Konversionselement die Strahlungsaustrittsfläche des Halbleiterchips direkt. Alternativ ist das Konversionselement von der Strahlungsaustrittsfläche des Halbleiterchips beabstandet.
Weitere Vorteile, vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Ausführungsbeispielen.
Es zeigen:
Die 1A bis 1C jeweils Quantenpunkte gemäß einer Ausführungsform,
die 2 C-C-Doppelbindungen gemäß einer Ausführungsform, die 3A und 3B jeweils ein Konversionselement gemäß einer Ausführungsform,
die 4 und 5 jeweils ein Verfahren zur Herstellung eines Konversionselements gemäß einer Ausführungsform und
die 6A bis 6G 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 zum Beispiel Schichten, Bauteile, Bauelemente und Bereiche zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt werden.
Die 1A bis 1C zeigen jeweils eine schematische Seitenansicht eines Quantenpunkts gemäß einer Ausführungsform.
Der Quantenpunkt 1 kann, wie in 1A gezeigt, einen Halbleiterkern 1a umfassen oder daraus bestehen. Der Halbleiterkern 1a kann beispielsweise als Cadmiumselenid, Cadmiumsulfid, Indiumphosphid und/oder Kupferindiumselenid geformt sein.
Die 1B zeigt einen Quantenpunkt 1, der neben dem Halbleiterkern 1a eine umhüllende erste Schicht 1b aufweist. Die umhüllende erste Schicht 1b kann beispielsweise aus Zinksulfid geformt sein. Der Quantenpunkt 1 kann einen durchschnittlichen Durchmesser von 1 nm bis 10 nm aufweisen. Im Vergleich dazu kann der Quantenpunkt 1 der 1A einen durchschnittlichen Durchmesser von 5 nm aufweisen.
Die 1C zeigt einen Quantenpunkt 1, der neben dem Halbleiterkern 1a und der ersten umhüllenden Schicht 1b zusätzlich eine zweite umhüllende Schicht 1c, also hier eine Oberflächenbeschichtung, aufweisen kann. Die weitere umhüllende Schicht 1c kann eine organische Beschichtung, beispielsweise aus Silikon, Acrylat oder deren Mischungen sein. Ist von der Oberfläche 1b eines jeweiligen Quantenpunkts 1 die Rede, dann entspricht dies gemäß der 1C der Oberfläche der Oberflächenbeschichtung, die insbesondere eine organische Beschichtung ist.
Die 2 zeigt mögliche endständische C-C-Doppelbindungen. Die C-C-Doppelbindungen können die C-C-Doppelbindungen der Quantenpunkte 1 und/oder der zweiten Komponente 22 sein. Die C-C-Doppelbindungen können Teil einer Vinylgruppe, einer Acrylatgruppe, einer Methacrylatgruppe, einer fluorierten Vinylgruppe oder einer Epoxygruppe sein.
Die 3A zeigt ein zweidimensionales Netzwerk von Quantenpunkten 1 und Matrixmaterial 2. Dabei bilden die Quantenpunkte 1 die entsprechenden Knotenpunkte des Netzwerks und das Matrixmaterial 2 die Verbindungslinien zwischen den Knotenpunkten oder Quantenpunkten 1.
Die 3B zeigt ein dreidimensionales Netzwerk aus Quantenpunkten 1 und Matrixmaterial 2.
Die 4 zeigt schematisch ein Verfahren zur Herstellung eines Konversionselements. Insbesondere erfolgt die Herstellung mittels Hydrosilylierung. Die 4 zeigt das Bereitstellen eines oberflächenfunktionalisierten Quantenpunkts 1, also einem Quantenpunkt 1, der eine Oberflächenbeschichtung mit zumindest einer endständischen C-C-Doppelbindung 11 aufweist. Insbesondere ist die endständische C-C-Doppelbindung eine Vinylgruppe. Zu diesen beschichteten Quantenpunkten 1 wird eine erste Komponente 21 dazugegeben. Die erste Komponente 21 weist insbesondere zwei Si-H-Gruppen auf. Zumindest eine Si-H-Gruppe verbindet sich jeweils mit einer endständigen C-C-Doppelbindung des Quantenpunkts und bildet eine kovalente Bindung aus. Insbesondere wird die erste Komponente 21 im Überschuss dazugegeben. Anschließend erfolgt die Zugabe einer zweiten Komponente 22 des Matrixmaterials 2. Insbesondere ist die zweite Komponente 22 ein bifunktionalisiertes oder bivinylfunktionalisiertes PDMS oder PDPS. Die zweite Komponente 22 bindet sich über zumindest eine endständige C-C-Doppelbindung an die erste Komponente 21, insbesondere an die endständige Si-H-Gruppe an. Die Si-(CH₂)-Si-Einheiten sind in der 4 im Gegensatz zur 5 nach Reaktion mit der zweiten Komponente 22 nicht gezeigt. Insbesondere wird die zweite Komponente 22 im Unterschuss zugegeben, sodass nicht alle Si-H-funktionalisierten Quantenpunkte 1 hydrosilyliert werden. Anschließend erfolgt die Polymerisation der im Schritt D) erzeugten funktionalisierten Quantenpunkte, sodass ein Netzwerk aus Quantenpunkten 1 und Matrixmaterial 2 erzeugt wird. Die Polymerisation erfolgt hier über eine Hydrosilylierung.
Die 5 zeigt schematisch ein Verfahren zur Herstellung eines Konversionselements. Das Verfahren der 5 unterscheidet sich von dem Verfahren der 4 lediglich dadurch, dass die Polymerisation hier nicht mittels Hydrosilylierung, sondern radikalisch erfolgt. Insbesondere wird die radikalische Polymerisation durch Zugabe eines Initiators, der thermisch oder UV-stabilisiert ist, ausgelöst. Es entsteht ein Netzwerk aus Quantenpunkten 1, die an dem Matrixmaterial 2 angebunden sind. Insbesondere weist das Matrixmaterial 2 Siliziumatome innerhalb der Kette auf. Die Quantenpunkte 1 weisen insbesondere einen Abstand auf, sodass ein Quenchen der Quantenpunkte 1 aufgrund eines zu geringen Abstands vermieden ist.
Die 6 zeigt schematische Seitenansichten von optoelektronischen Bauelementen 200 gemäß verschiedener Ausführungsformen. Insbesondere ist das optoelektronische Bauelement 200 eine Leuchtdiode, kurz LED.
Gemäß der 6A ist die Lichtquelle 3 ein Leuchtdiodenchip oder Halbleiterchip, der auf einen Träger 4 aufgebracht ist. Unmittelbar über dem Leuchtdiodenchip 3 befindet sich das Konversionselement 100. Direkt aufgebracht schließt hier nicht aus, dass sich ein Verbindungsmittel wie beispielsweise ein Klebstoff zwischen den jeweiligen Komponenten befindet. Optional sind die Lichtquelle 3 sowie das Konversionselement 100 lateral von einem Reflektorverguss 6 umgeben.
Bei dem Ausführungsbeispiel, wie in 6B gezeigt, weist das optoelektronische Bauelement 200 zusätzlich eine Linse 5 auf. Die Linse 5 kann direkt dem Konversionselement 100 nachgeordnet sein.
In 6C ist zu sehen, dass das Konversionselement 100 direkt auf dem Leuchtdiodenchip 3 oder auf der Halbleiterschichtenfolge 3 des optoelektronischen Bauelements 200 angeordnet ist. Dabei fehlt im Vergleich zu 6A der Reflektorverguss 6.
Beim Ausführungsbeispiel, wie in 6D gezeigt, umhüllt das Konversionselement 100 die gesamte Oberfläche des Halbleiterchips oder der Lichtquelle 3. Insbesondere weist das Konversionselement 100 eine konstante Dicke ringsum die Lichtquelle 3 herum auf.
Gemäß 6E ist die Lichtquelle oder der Halbleiterchip 3 in einer Ausnehmung 10 eines optoelektronischen Bauelements 200 angeordnet. Die Ausnehmung 10 kann mit einem Verguss 9, beispielsweise aus Silikon, gefüllt sein. Dem Verguss 9 ist direkt das Konversionselement 100 nachgeordnet. Das optoelektronische Bauelement 200 weist ferner ein Gehäuse 21 auf. Mit anderen Worten ist das Konversionselement 100 von der Lichtquelle 3 räumlich beabstandet.
In 6F ist dargestellt, dass das Konversionselement 100 den Halbleiterchip oder Lichtquelle 3 kappenartig umgibt, wodurch das Konversionselement 100 in allen Richtungen eine gleichmäßige dicke Schicht aufweist. Das Konversionselement 100 und die Lichtquelle 3 können in einer Ausnehmung eines Gehäuses eines optoelektronischen Bauelements 200 angeordnet sein und von einem Verguss 9 umgeben sein.
Das Ausführungsbeispiel der 6G zeigt ein optoelektronisches Bauelement 200, in dem das Konversionselement 100 die Lichtquelle 3 ringsum umgibt, also von seinen gesamten Oberflächen form- und stoffschlüssig umhüllt.
Die in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Ausführungsbeispiele und deren Merkmale können gemäß weiterer Ausführungsbeispiele auch miteinander kombiniert werden, auch wenn solche Kombinationen nicht explizit in den Figuren gezeigt sind. Weiterhin können die in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Ausführungsbeispiele zusätzliche oder alternative Merkmale gemäß der Beschreibung im allgemeinen Teil aufweisen.
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele auf diese beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.
Bezugszeichenliste

100: Konversionselement
200: optoelektronisches Bauelement
1: Quantenpunkte
1a: Halbleiterkern
1b: erste umhüllende Schicht
1c: weitere umhüllende Schicht oder Oberflächenbeschichtung der Quantenpunkte
1d: Oberfläche eines Quantenpunkts
11: endständige C-C-Doppelbindung
2: Matrixmaterial
21: erste Komponente
22: zweite Komponente
3: Lichtquelle oder Halbleiterchip
4: Träger
5: Linse
6: Reflektorverguss
9: Verguss
10: Ausnehmung
21: Gehäuse

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2015/0054425 A1 [0002]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Konversionselements (100) mit den Schritten: A) Bereitstellen von Quantenpunkten (1), die zur Wellenlängenumwandlung von Strahlung eingerichtet sind und die eine Oberflächenbeschichtung mit endständigen C-C-Doppelbindungen (11) aufweisen, B) Bereitstellen eines Matrixmaterials (2), das eine erste Komponente (21) und eine zweite Komponente (22) umfasst, wobei die erste Komponente (21) zumindest zwei Si-H-Gruppen aufweist, wobei die zweite Komponente (22) zumindest zwei endständige C-C-Doppelbindungen aufweist, C) Anbinden der ersten Komponente (21) an die endständige C-C-Doppelbindung der Quantenpunkte (1) mittels Hydrosilylierung, wobei die im Schritt C) durchgeführte Anbindung thermisch erfolgt, wobei die Temperatur mindestens 80 °C ist, D) Anbinden der zweiten Komponente (22) über zumindest eine endständige C-C-Doppelbindung der zweiten Komponente (22) an die erste Komponente (21) nachdem die erste Komponente (21) im Schritt C) angebunden wurde, E) Polymerisation der im Schritt D) erzeugten funktionalisierten Quantenpunkte, so dass ein Netzwerk aus Quantenpunkten (1) erzeugt wird, die an dem Matrixmaterial (2) angebunden sind.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die zweite Komponente (22) ein vinyl-funktionalisiertes Polydimethylsiloxan, ein vinyl-funktionalisiertes Polydiphenylsiloxan oder eine Mischung daraus ist.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die im Schritt E) durchgeführte Polymerisation radikalisch erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei ein thermischer Initiator oder UV-Initiator verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei der Initiator Lucrin-TPO-L ist.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zweite Komponente (22) im Unterschuss dazugegeben wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Komponente (21) im Überschuss dazugegeben wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die endständige C-C-Doppelbindung zumindest eines Quantenpunktes (1) Teil eines Vinyl-Restes, eines Methacrylat-Restes oder Acrylat-Restes ist.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Polymerisation im Schritt E) eine Hydrosilylierung ist.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Quantenpunkte (1) aus einer Gruppe ausgewählt sind, die InP, CdS, CdSe und CuInSe2 umfasst.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Oberflächenbeschichtung (11) eine organische Beschichtung ist, die endständige C-C-Doppelbindungen aufweist.
Konversionselement (100) umfassend – Quantenpunkte (1), die zur Wellenlängenumwandlung von Strahlung eingerichtet sind und die eine Oberflächenbeschichtung aufweisen, wobei benachbarte Quantenpunkte (1) über das Matrixmaterial (2) zur Beabstandung der Quantenpunkte (1) verbunden sind, so dass ein Netzwerk aus Quantenpunkten (1) und Matrixmaterial (2) gebildet ist, wobei das Matrixmaterial (2) aus erster und zweiter Komponente (21, 22) gebildet ist, wobei die erste Komponente (21) zumindest zwei Si-H-Gruppen aufweist, wobei die zweite Komponente (22) zumindest zwei endständige C-C-Doppelbindungen aufweist, wobei die erste Komponente (21) an zumindest eine endständige C-C-Doppelbindung der Quantenpunkte (1) mittels Hydrosilylierung und die zweite Komponente (22) über die endständigen C-C-Doppelbindungen der zweiten Komponente (22) an die erste Komponente (21) angebunden ist.
Optoelektronisches Bauelement (200) mit einem Halbleiterchip und einem Konversionselement (100), das nach dem Verfahren gemäß zumindest einem der Ansprüche 1 bis 11 erhältlich ist.