EP2652086A1 - Verfahren zur herstellung eines strahlungskonversionselements, strahlungskonversionselement und optoelektronisches bauelement enthaltend ein strahlungskonversionselement - Google Patents

Verfahren zur herstellung eines strahlungskonversionselements, strahlungskonversionselement und optoelektronisches bauelement enthaltend ein strahlungskonversionselement

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EP2652086A1
EP2652086A1 EP11794470.2A EP11794470A EP2652086A1 EP 2652086 A1 EP2652086 A1 EP 2652086A1 EP 11794470 A EP11794470 A EP 11794470A EP 2652086 A1 EP2652086 A1 EP 2652086A1
Authority
EP
European Patent Office
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radiation
conversion element
substrate
radiation conversion
conversion layer
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP11794470.2A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Mikael Ahlstedt
Raquel De La Pena Alonso
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
Publication of EP2652086A1 publication Critical patent/EP2652086A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H01L31/04—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices
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    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy

Definitions

  • Radiation conversion element and an optoelectronic component with the radiation conversion element.
  • Radiation conversion elements can be used, for example, on semiconductor chips of radiation-emitting,
  • the LEDs emit light at a certain wavelength, that of the
  • Radiation conversion element can be converted into light of different wavelengths.
  • An object of an embodiment of the invention is to provide an easily performed method for producing a radiation conversion element with which a radiation conversion element with improved properties can be produced. Other tasks are the
  • Radiation conversion element contains. These objects are achieved by the method according to claim 1, which Radiation conversion element according to claim 8 and the optoelectronic component according to claim 15 solved.
  • Radiation conversion element are the subject of dependent claims.
  • the conversion layer produced by this process can have a crystalline or glassy, ie amorphous structure.
  • amorphous in connection with the finished conversion layer is understood to mean that crystalline dopant particles can be present in it.
  • Process step D) present in the conversion layer is included from the beginning.
  • Process step D) is further thermally treated and thus formed into a crystalline or amorphous conversion layer containing a dopant, due to In the layer existing luminescent dopants radiation from one wavelength to a larger or smaller depending on the type of dopant wavelength
  • the substrate may have radiation-converting properties, so that the conversion layer can convert the already converted radiation even further and thus can cause a fine-tuning of the converted wavelength and thus the color impression for an external viewer of the emitted light.
  • the conversion layer can convert the already converted radiation even further and thus can cause a fine-tuning of the converted wavelength and thus the color impression for an external viewer of the emitted light.
  • Beam path is applied to a radiation conversion element with the above properties, emit a cold white light for car lights or a warm white light for lighting in the living area.
  • R represents an organic radical, such as straight or branched alkyl groups of any length, and the organic radicals in the inter-reacting molecules may be the same or different.
  • M represents a metal, which may be "n” represents the valency of the metal on which the number of moieties attached to M is dependent.
  • Process step A) further comprises a solvent and
  • Suitable solvents may be, for example, alcohols, such as isopropanol or ethanol, or acid / base catalysts, such as water with HCl or NH3. With the solvent, a suitable dilution of the solution can be achieved, and the
  • Drying rate and the homogenization of the solution can be influenced. Depending on the drying rate, the viscosity of the resulting gel can be influenced.
  • precursors in the context of metal precursors is meant compounds which undergo chemical reactions during the process and are thus altered, but the metal which, after process step D) in the
  • Metal precursors added to the solution may be selected from a group comprising metal alkoxides, acetates, chlorides and nitrates.
  • connections can be from a group
  • metal alkoxides have the formula M-O-R.
  • M stands for the metal
  • R for an organic radical, which can be chosen arbitrarily.
  • water may be added to the solution to promote hydrolysis.
  • a complexing agent can be added to stabilize the solution.
  • An exemplary complexing agent is acetylacetate.
  • Ratio of the metal of the dopant precursor to all metals in the solution can be 0.5 to 20.
  • the dopant precursors in process step A) can be selected from a group comprising metal alkoxides, acetates, chlorides and nitrates of the metals Eu, Ce, Ir, Er and Cs.
  • the dopant precursors can also be called
  • Nanopowder dispersed in the solution This will make the solution luminescent
  • the application in process step B) can be carried out by means of a method selected from the group consisting of spin coating, dip coating or spray coating
  • Substrate results in that the conversion layer is formed substantially transparent.
  • the application methods used in process step B) are particularly inexpensive methods compared to conventional application methods, such as
  • CVD chemical vapor deposition
  • PVD physical vapor deposition
  • sputtering for example CVD, PVD or sputtering.
  • both the thickness of the resulting conversion layer and the wavelength to which radiation is converted can be adjusted which in turn is due to the precisely adjustable thickness.
  • the conversion layer should be as transparent as possible.
  • Process step D) may comprise the steps D1) drying the gel, D2) calcining the gel to form an amorphous layer, D3) pyrolysis of the amorphous layer to form a conversion layer.
  • the luminescent dopant is thus incorporated in the conversion layer.
  • the thermal treatment of process step D) is divided into three sub-steps.
  • the pyrolysis atmosphere can be a
  • the calcination can be used to form an amorphous layer from the gel layer, which then becomes pyrolysis
  • Conversion layer which is crystalline or amorphous, is formed. If the conversion layer is amorphous, crystalline dopant particles may be incorporated in it.
  • the method steps B) to D) can be repeated at least twice.
  • Substrate can be applied. A repetition of up to eight times is also conceivable.
  • the repeated application of the solution to the substrate in process step B) can take place after process step D1), after process step D2) or after process step D3). In general, it makes sense to apply more layers if they are thinner. There can be so many layers
  • the individual crystalline or amorphous layers may each have different thicknesses and / or different dopant concentrations and / or different dopants. So that can
  • a larger dopant concentration in the entire conversion layers in each case very thin and therefore transparent individual layers are generated. It is also possible to apply a plurality of layers, which are made from the same solutions, in order to increase the effect of the radiation conversion by combining these prepared conversion layers.
  • a method is provided in which a solution is applied to, for example, a radiation-converting substrate.
  • the solution contains a mixture of liquid metal precursors and liquid
  • Dotierstoffprekursoren in one embodiment, also dispersed nanopowder dopant precursors, which become a gel by hydrolysis and condensation and after a thermal treatment give a luminescent crystalline or amorphous conversion layer.
  • the radiation-converting conversion layer can serve as a modifying radiation conversion layer to more precisely match the radiation converted by the radiation-converting substrate to the desired hue
  • the conversion layer can, for example, convert small amounts of white-colored radiation to blue- or yellow-colored radiation, so that a cool-white radiation results. If warm white radiation is desired, the conversion layer may be formed to convert small amounts of white radiation into reds or greens
  • the method is a simple technology to apply a color-modifying conversion layer to a
  • the substrate may also be a radiation-inactive layer. Then the conversion layer on the substrate is the only radiation conversion layer that converts the radiation.
  • Conversion layers for example, 10 nm thick layers are produced, which is not conventional methods is possible. Due to the small thickness of the layers is a very accurate adjustment of the desired hue by
  • the radiation conversion element can in a
  • This radiation for example, from a semiconductor chip on which the
  • Radiation conversion element is applied, is emitted, freely pass through the radiation conversion element through, and at the same time the wavelength of the radiation are converted.
  • the substrate can convert radiation or become inactive
  • Substrate may include inorganic material. It may be, for example, to a radiation-converting materials containing ceramic, a luminescent glass or a
  • a YAG ceramic can be used, which at temperatures of up to 1850 ° C is stable. If glasses are used as substrate, the temperature in process step D) must be below the
  • An inorganic radiation-converting substrate is favorable if further functional layers are to be deposited thereon.
  • an inorganic radiation-converting substrate is therefore also suitable for applying a conversion layer by means of the abovementioned method, which comprises a thermal treatment.
  • the substrate may also have non-radiation-converting properties and only as a substrate for the
  • the conversion layer is the only one
  • the conversion layer may have a crystalline or amorphous structure. This is due to the above manufacturing process.
  • a metal may be incorporated in a proportion of 0.05 mol% to 8 mol%, especially 1 mol% to 5 mol%.
  • the metal may be selected from a group comprising Eu, Ce, Ir, Er and Cs.
  • concentration of these metals, which are dopants in the conversion layer is more or less passing through the conversion layer Radiation converted.
  • the color that is to say the wavelength of the radiation emerging from the conversion layer, is thus determined by the concentration of the dopants in the
  • the conversion layer may have a thickness which is selected from the range 10 nm to 5 ⁇ .
  • the conversion layer may, for example, have 10 nm.
  • a plurality of conversion layers may be stacked on the substrate to increase the effect of radiation conversion.
  • step C hydrolysis and condensation and bonds between a
  • inorganic substrate and the crosslinking gel layer arise. These bonds also stay in place during the
  • step D subsequent thermal treatment in step D), whereby a covalent bond between the
  • Conversion layer and the substrate is formed.
  • bonds can be, for example, bonds between OH groups of the
  • an optoelectronic component which comprises a carrier, at least one
  • Radiation conversion element can convert the radiation emitted by the semiconductor chip radiation. This can be done either by conversion by means of a radiation-converting substrate and a converting modification by the
  • Radiation conversion layer is.
  • Such an optoelectronic component has an improved fine tuning of the emitted radiation, so that the desired wavelength of the emitted
  • Such an optoelectronic component may be, for example, an LED.
  • Figure 1 is a schematic side view of an optoelectronic device
  • Figure 1 shows the schematic side view of a
  • the radiation conversion element 60 includes a substrate 61 and a conversion layer 62.
  • the substrate 61 may itself be radiation-converting or inactive
  • the conversion layer 62 is a radiation converting layer and may vary depending on
  • Embodiment of the substrate cause a modification of the wavelength of the radiation converted by the substrate or be sole radiation conversion layer.
  • Semiconductor chip 20 may be radiation of one wavelength
  • Radiation conversion element 60 as well as the potting 50 are formed transparent.
  • the following is an example of producing a conversion layer 62 on a substrate 61.
  • Metal precursors may include metal alkoxides, acetates, chlorides or nitrates. Also the
  • Dopant precursors may include metal alkoxides, acetates, chlorides and nitrates.
  • Metal precursors include one or more of Al, Si, Ti, and Zr, and the metals of the dopant precursors include one or more of Eu, Ce, Ir, Er, and Cs.
  • the precursors can be stabilized prior to mixing to achieve ease of solution handling and avoid the formation of secondary phases.
  • This solution is applied to a substrate, for example an inorganic substrate, which is formed from a ceramic, a glass or a glass ceramic, by means of spin coating, dip coating or spray coating.
  • the solution on the substrate condenses and hydrolyzes to a gel at room temperature and is then dried at 110 ° C for a few minutes. In this case, a high degree of crosslinking forms in the gel layer.
  • the drying step may be repeated several times to increase the preferred layer thickness
  • the thus coated substrate is then in
  • Oxygen atmosphere calcined at temperatures of up to 600 ° C to remove organic residues in the gel and to allow the formation of an inorganic, amorphous network.
  • the calcined network on the substrate is then subjected to pyrolysis at higher temperatures to allow crystallization of the amorphous layer.
  • the atmosphere in the pyrolysis can be an oxygen
  • Nitrogen or Formiergasatmosphere The choice of the atmosphere is made depending on how the material of the amorphous layer is composed, what stoichiometric
  • Conversion layer can by means of the application technique in
  • Process step B) the viscosity of the solution, ie the Amount of solvent in the solution provided in step A), and the number of conversion layers produced can be determined.
  • the parameters of the deposition technique such as the spin speed or time, can be varied to produce thicker and thinner conversion layers, respectively
  • Thicker layers can be made by providing already cross-linked solutions of correspondingly high viscosity.
  • Conversion layers are also made thicker. Repetitions are possible after drying the layer in process step D1), after calcination in
  • the invention includes any novel feature as well as any combination of features, which includes in particular any combination of features in the claims, even if this feature or this combination itself is not explicitly stated in the patent claims or exemplary embodiments.

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Abstract

Es wird ein Verfahren zur Herstellung eines Strahlungskonversionselements bereitgestellt, bei dem eine Lösung auf einem Substrat aufgebracht wird, aus der Lösung ein Gel gebildet wird und das Gel thermisch behandelt wird. Es wird weiterhin ein Strahlungskonversionselement bereitgestellt, das nach dem Verfahren hergestellt wird. Außerdem wird ein optoelektronisches Bauelement bereitgestellt, das ein Strahlungskonversionselement enthält.

Description

Beschreibung
Verfahren zur Herstellung eines
Strahlungskonversionselements , Strahlungskonversionselement und optoelektronisches Bauelement enthaltend ein
Strahlungskonversionselement
Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Patentanmeldung 10 2010 054 279.2, deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.
Es wird ein Verfahren zur Herstellung eines
Strahlungskonversionselements angegeben sowie das
Strahlungskonversionselement und ein optoelektronisches Bauelement mit dem Strahlungskonversionselement.
Strahlungskonversionselemente können beispielsweise auf Halbleiterchips von Strahlungsemittierenden,
optoelektronischen Bauelementen wie beispielsweise LEDs aufgebracht werden. Die LEDs emittieren Licht in einer bestimmten Wellenlänge, das von dem
Strahlungskonversionselement in Licht anderer Wellenlänge konvertiert werden kann.
Eine Aufgabe einer Aus führungs form der Erfindung ist die Bereitstellung eines einfach durchzuführenden Verfahrens zur Herstellung eines Strahlungskonversionselements, mit dem ein Strahlungskonversionselement mit verbesserten Eigenschaften hergestellt werden kann. Weitere Aufgaben sind die
Bereitstellung des Strahlungskonversionselements und eines optoelektronischen Bauelements, das das
Strahlungskonversionselement enthält. Diese Aufgaben werden durch das Verfahren gemäß Anspruch 1, das Strahlungskonversionselement gemäß Anspruch 8 und das optoelektronische Bauelement gemäß Anspruch 15 gelöst.
Weitere Aus führungs formen des Verfahrens und des
Strahlungskonversionselements sind Gegenstand abhängiger Ansprüche .
Es wird ein Verfahren zur Herstellung eines
Strahlungskonversionselements angegeben mit den
Verfahrensschritten A) Bereitstellen eines Substrats und einer stabilen Lösung, die lumineszierende
Dotierstoffprekusoren umfasst, B) Aufbringen der Lösung auf das Substrat, C) Hydrolyse und Kondensation der Lösung zur Bildung eines Gels, D) thermisches Behandeln des Gels zur Bildung einer Konversionsschicht auf dem Substrat. Die durch dieses Verfahren hergestellte Konversionsschicht kann eine kristalline oder glasartige, also amorphe Struktur aufweisen Im Folgenden wird amorph im Zusammenhang mit der fertig hergestellten Konversionsschicht so verstanden, dass in ihr kristalline Dotierstoffpartikel vorhanden sein können.
Mit „Prekursor" im Zusammenhang mit Dotierstoffprekursoren sind Verbindungen gemeint, die im Laufe des Verfahrens chemische Reaktionen durchlaufen und somit verändert werden, aber den eigentlichen Dotierstoff, wie er nach dem
Verfahrensschritt D) in der Konversionsschicht vorhanden ist von Anfang an enthalten.
Mit diesem Verfahren wird also auf dem Substrat eine Lösung mit lumineszierenden Eigenschaften aufgebracht, die zu einer Gel-Schicht gebildet wird. Die Gel-Schicht, die im
Verfahrensschritt D) weiterhin thermisch behandelt und damit zu einer kristallinen oder amorphen Konversionsschicht, die einen Dotierstoff enthält, gebildet wird, kann aufgrund der in der Schicht vorhandenen lumineszierenden Dotierstoffe Strahlung von einer Wellenlänge zu einer je nach Art des Dotierstoffs größeren oder kleineren Wellenlänge
konvertieren .
Auch das Substrat kann strahlungskonvertierende Eigenschaften aufweisen, so dass die Konversionsschicht die bereits konvertierte Strahlung noch weiter konvertieren kann und somit eine Feinabstimmung der konvertierten Wellenlänge und damit des Farbeindrucks für einen äußeren Betrachter des emittierten Lichts bewirken kann. Damit kann beispielsweise eine weißes Licht emittierende Vorrichtung, in deren
Strahlengang ein Strahlungskonversionselement mit den oben genannten Eigenschaften aufgebracht ist, ein kalt weißes Licht für Autobeleuchtungen oder ein warm weißes Licht für Beleuchtungen im Wohnbereich emittieren.
Mit dem Verfahren kann auf einfache Weise eine
Konversionsschicht auf dem Substrat abgeschieden werden und damit eine Strahlungskonversionsschicht erhalten werden, die dicht ist, eine homogene Dotierung sowie eine geringe Dicke aufweist. Dieses Verfahren ist aufgrund der einfachen
Durchführung auch industriell anwendbar.
Die Hydrolyse und Kondensation im Verfahrensschritt C) führt zu einer Vernetzung der Lösung und damit zur Bildung eines Gels. Die Reaktionen, die während der Hydrolyse und
Kondensation stattfinden, sind in den Formeln (I) bis (III) angegeben :
Rn-xM(OR)x + xH20 <- Rn-xM(OH)x + xROH (I) Rn-xM(OH)x + Rn-xM(OH)x <-> (R) n-xM (OH) x-l-O-M (OH) x-1 (R) n-x + (x-1) HÖH
(II) Rn-xM(OH)x + Rn-xM(OR)x <- (R) n-xM (OH) x-l-O-M (OR) x-1 (R) n-x + (x-1) ROH
(III) In allen Formeln steht „R" für einen organischen Rest, beispielsweise unverzweigte oder verzweigte Alkylgruppen von beliebiger Länge. Die organischen Reste in den miteinander reagierenden Molekülen können gleich oder verschieden sein. „M" steht für ein Metall, das je nachdem, wie die durch das Verfahren gebildete Konversionsschicht zusammengesetzt sein soll, ausgewählt werden kann, „n" steht für die Wertigkeit des Metalls, von der die Anzahl der an M gebundenen Reste abhängt . In Formel (I) ist die Hydrolyse eines substituierten
Metallalkoxids mit Wasser gezeigt, bei der ein mit x
Hydroxygruppen und n-x organischen Resten substituiertes Metall und ein Alkohol entstehen. Gemäß der Formel (II) kann aus zwei Metallverbindungen, die jeweils mit x Hydroxygruppen und n-x organischen Resten substituiert sind, Wasser kondensiert werden. Dies kann gemäß Formel (III) auch zwischen einem Metall, das mit x
Hydroxygruppen und n-x organischen Resten substituiert ist, und einem Metallalkoxid stattfinden. Die Reaktionen gemäß Formel (II) und (III) sind reversibel. Das Reaktionsschema gemäß den Formeln (I) bis (III) kann auch als Sol-Gel-Chemie bezeichnet werden. Die Hydrolyse und Kondensation im Verfahrensschritt C) kann bei Raumtemperatur erfolgen. Gemäß einer Aus führungs form kann der stabilen Lösung im
Verfahrensschritt A) weiterhin ein Lösungsmittel und
Metallprekusoren zugegeben werden. Geeignete Lösungsmittel können beispielsweise Alkohole, wie Isopropanol oder Ethanol, oder Säure-/Basekatalysatoren, wie Wasser mit HCl oder NH3 sein. Mit dem Lösungsmittel kann eine geeignete Verdünnung der Lösung erzielt werden, sowie die
Trocknungsgeschwindigkeit und die Homogenisierung der Lösung beeinflusst werden. Je nach Trocknungsgeschwindigkeit kann die Viskosität des entstehenden Gels beeinflusst werden.
Mit „Prekursor" im Zusammenhang mit Metallprekursoren sind Verbindungen gemeint, die im Laufe des Verfahrens chemische Reaktionen durchlaufen und somit verändert werden, aber das Metall, das nach dem Verfahrensschritt D) in der
Konversionsschicht vorhanden ist, von Anfang an enthalten.
Metallprekusoren, die der Lösung zugegeben werden, können aus einer Gruppe ausgewählt sein, die Metallalkoxide, -acetate, - Chloride und -nitrate umfasst. Die Metalle dieser
Verbindungen können beispielsweise aus einer Gruppe
ausgewählt sein, die AI, Si, Ti und Zr umfasst. Allgemein haben Metallalkoxide die Formel M-O-R. M steht dabei für das Metall, R für einen organischen Rest, der beliebig gewählt werden kann.
Zusätzlich kann der Lösung noch Wasser zugegeben werden, um die Hydrolyse zu fördern. Weiterhin kann zur Stabilisierung der Lösung ein Komplexionsmittel zugegeben werden. Ein beispielhaftes Komplexionsmittel ist Acetylacetat . Das
Verhältnis von dem Metall des Dotierstoffprekursors zu allen Metallen in der Lösung kann 0,5 bis 20 sein. Die Dotierstoffprekursoren im Verfahrensschritt A) können aus einer Gruppe ausgewählt werden, die Metallalkoxide, -acetate, -Chloride und -nitrate der Metalle Eu, Ce, Ir, Er und Cs umfasst. Die Dotierstoffprekursoren können auch als
Nanopulver, das in der Lösung dispergiert ist, vorliegen. Damit werden der Lösung lumineszierende
Dotierstoffprekursoren zugegeben, die im Verfahrensschritt C) zusammen mit den Metallprekursoren in der Lösung gemäß den Reaktionen der Formeln (I) bis (III) ein Gel bilden, also miteinander vernetzen. Sowohl die Metalle der
Metallprekursoren als auch die Metalle der
Dotierstoffprekursoren werden dabei in das Netzwerk
eingebaut .
Das Aufbringen im Verfahrensschritt B) kann mittels einer Methode durchgeführt werden, die aus einer Gruppe ausgewählt ist, die Spin-Coating, Dip-Coating oder Spray-Coating
umfasst. Mit diesen Methoden können besonders dünne Schichten aufgebracht werden, womit nach der Gel-Bildung und der thermischen Behandlung eine dünne Konversionsschicht, die Strahlungskonvertierende Eigenschaften aufweist, resultieren kann. Eine geringe Dicke der Konversionsschicht auf dem
Substrat führt dazu, dass die Konversionsschicht weitgehend transparent ausgebildet ist.
Die Aufbringungsmethoden, die in dem Verfahrensschritt B) verwendet werden, sind besonders kostengünstige Methoden im Vergleich zu herkömmlichen Aufbringungsmethoden, wie
beispielsweise CVD, PVD oder Sputtern.
Durch das Aufbringen mittels Spin-Coating kann sowohl die Dicke der resultierenden Konversionsschicht als auch die Wellenlänge, in die Strahlung konvertiert wird, eingestellt werden, was wiederum durch die genau einstellbare Dicke bedingt ist.
Soll beispielsweise eine LED mit einem
Strahlungskonversionselement bereitgestellt werden, sollte die Konversionsschicht so transparent wie möglich sein.
Strahlungskonvertierende Materialien, die Strahlung zu
Wellenlängen im grünen oder roten Bereich konvertieren, weisen häufig nichtkubische Kristallstrukturen auf, womit es schwierig ist, diese in transparente Materialien
einzubringen. Daher ist es wichtig, diese Materialien so dünn wie möglich als Strahlungskonvertierende, kristalline oder amorphe Konversionsschicht auf dem Substrat auszubilden, sodass ihre intrinsische Absorption und Streuung reduziert ist. Das kann mit einem Verfahren wie oben beschrieben erreicht werden.
Der Verfahrensschritt D) kann die Schritte Dl) Trocknen des Gels, D2 ) Kalzinieren des Gels zur Bildung einer amorphen Schicht, D3) Pyrolyse der amorphen Schicht zur Bildung einer Konversionsschicht umfassen. In der Konversionsschicht ist somit der lumineszierende Dotierstoff eingebaut.
Damit ist das thermische Behandeln des Verfahrensschrittes D) in drei Teilschritte eingeteilt. Zunächst wird das Gel für einige Minuten bei leicht erhöhten Temperaturen,
beispielsweise einer Temperatur aus dem Bereich 60°C bis 180°C getrocknet, dann bei höheren Temperaturen ,
beispielsweise einer Temperatur aus dem Bereich 400°C bis 600°C, kalziniert und schließlich einer Pyrolyse,
beispielsweise bei einer Temperatur aus dem Bereich 600°C bis 1800°C, unterzogen. Die Pyrolyseatmosphäre kann eine
Sauerstoff-, Stickstoff- oder Formiergasatmosphäre sein. Durch die Kalzination kann aus der Gel-Schicht eine amorphe Schicht entstehen, die dann durch die Pyrolyse zu einer
Konversionsschicht, die kristallin oder amporph ist, gebildet wird. Ist die Konversionsschicht amorph, können in ihr kristalline Dotierstoffpartikel eingelagert sein.
In einer Aus führungs form können die Verfahrensschritte B) bis D) mindestens zwei Mal wiederholt werden. Damit können mindestens zwei, aber auch mehrere übereinander liegende Strahlungskonvertierende, Konversionsschichten auf das
Substrat aufgebracht werden. Eine Wiederholung von bis zu acht Mal ist ebenso denkbar. Das wiederholte Aufbringen der Lösung auf das Substrat im Verfahrensschritt B) kann dabei nach dem Verfahrensschritt Dl), nach dem Verfahrensschritt D2 ) oder nach dem Verfahrensschritt D3) erfolgen. Generell ist es sinnvoll, mehr Schichten aufzubringen, wenn diese dünner ausgeformt sind. Es können so viele Schichten
übereinander aufgebracht werden, solange kein Peelingeffekt der Schichten auftritt.
Damit können mehrere, auch verschiedene Konversionsschichten auf dem Substrat erzeugt werden. Die einzelnen kristallinen oder amorphen Schichten können jeweils verschiedene Dicken und/oder verschieden hohe Dotierstoffkonzentrationen und/oder verschiedene Dotierstoffe aufweisen. Damit kann
beispielsweise eine größere Dotierstoffkonzentration in den gesamten Konversionsschichten in jeweils sehr dünnen und damit transparenten einzelnen Schichten erzeugt werden. Es können auch mehrere Schichten aufgebracht werden, die aus denselben Lösungen hergestellt sind, um durch die Kombination dieser hergestellten Konversionsschichten den Effekt der Strahlungskonversion zu steigern. Es wird also ein Verfahren bereitgestellt, bei dem eine Lösung auf beispielsweise ein Strahlungskonvertierendes Substrat aufgebracht wird. Die Lösung enthält eine Mischung flüssiger Metallprekursoren und flüssiger
Dotierstoffprekursoren, in einer Aus führungs form auch dispergierter nanopulverförmiger Dotierstoffprekursoren, die durch Hydrolyse und Kondensation zu einem Gel werden und nac einer thermischen Behandlung eine lumineszierende kristallin oder amorphe Konversionsschicht ergeben. Die
strahlungskonvertierende Konversionsschicht kann als modifizierende Strahlungskonversionsschicht dienen, um die durch das strahlungskonvertierende Substrat konvertierte Strahlung noch genauer auf den gewünschten Farbton
abzustimmen .
Die Konversionsschicht kann beispielsweise geringe Anteile von weiß farbiger Strahlung nach blau- oder gelbfarbiger Strahlung konvertieren, so dass eine kaltweiße Strahlung resultiert. Ist eine warmweiße Strahlung gewünscht, kann die Konversionsschicht so ausgeformt sein, dass geringe Anteile weißer Strahlung in Rottöne oder Grüntöne konvertiert werden
Das Verfahren stellt eine einfache Technologie dar, um eine farbmodifizierende Konversionsschicht auf eine
Konverterschicht, dem Substrat, aufzubringen. Das Substrat kann aber auch eine gegenüber Strahlung inaktive Schicht sein. Dann ist die Konversionsschicht auf dem Substrat die einzige Strahlungskonversionsschicht, die die Strahlung konvertiert .
Mit dieser Methode können besonders dünne
Konversionsschichten, beispielsweise 10 nm dicke Schichten, hergestellt werden, was mit herkömmlichen Methoden nicht möglich ist. Durch die geringe Dicke der Schichten ist eine sehr genaue Einstellung des gewünschten Farbtons durch
Strahlungskonversion möglich.
Weiterhin bietet das Verfahren , mit dem so dünne
Konversionsschichten hergestellt werden, die Gelegenheit, auch nichttransparente, beispieisweise nichtkubische
Materialien als sehr dünne Schicht aufzubringen, womit die Lichtransmission durch die Schicht hindurch nur geringfügig oder gar nicht vermindert wird
Es wird weiterhin ein Strahlungskonversionselement
bereitgestellt, das nach einem Verfahren gemäß einer der oben genannten Aus führungs formen hergestellt ist und ein Substrat und mindestens eine Konversionsschicht auf dem Substrat umfasst. Das Strahlungskonversionselement kann in einer
Aus führungs form transparent sein. Damit kann Strahlung, die beispielsweise von einem Halbleiterchip, auf dem das
Strahlungskonversionselement aufgebracht ist, emittiert wird, ungehindert durch das Strahlungskonversionselement hindurch austreten, und gleichzeitig die Wellenlänge der Strahlung konvertiert werden.
Das Substrat kann Strahlung konvertieren oder inaktiv
gegenüber Strahlung sein. Ein Strahlungskonvertierendes
Substrat kann anorganisches Material umfassen. Es kann sich dabei beispielsweise um eine Strahlungskonvertierende Stoffe enthaltende Keramik, ein lumineszentes Glas oder eine
Glaskeramik handeln. Werden Keramiken als Substrat verwendet, können höhere Temperaturen bei der thermischen Behandlung im Verfahrensschritt D) angewandt werden, ohne dabei das
Substrat zu beschädigen. Beispielsweise kann als Keramik eine YAG-Keramik verwendet werden, die bei Temperaturen von bis zu 1850°C stabil ist. Werden Gläser als Substrat verwendet, muss die Temperatur im Verfahrensschritt D) unterhalb der
Glasübergangstemperatur liegen. Kalknatronglas hat
beispielsweise einen Glasübergangspunkt bei 520 bis 600°C und Quarzglas bei etwa 1175°C.
Ein anorganisches strahlungskonvertierendes Substrat ist günstig, wenn weitere Funktionsschichten darauf abgeschieden werden sollen. Anorganische strahlungskonvertierende
Substrate erlauben also das Aufbringen beispielsweise von zusätzlichen anorganischen Funktionsschichten, die bei höheren Temperaturen hergestellt werden müssen, um ihre
Funktionseigenschaften herzustellen. Damit eignet sich ein anorganisches strahlungskonvertierendes Substrat also auch für das Aufbringen einer Konversionsschicht mittels des oben genannten Verfahrens, das eine thermische Behandlung umfasst.
Das Substrat kann aber auch nicht strahlungskonvertierende Eigenschaften haben und lediglich als Substrat für das
Aufbringen und Herstellen der Konversionsschicht dienen. In diesem Fall ist die Konversionsschicht die einzige
strahlungskonvertierende Schicht in dem
Strahlungskonversionselement .
Die Konversionsschicht kann eine kristalline oder amorphe Struktur aufweisen. Dies ist bedingt durch das oben genannte Herstellungsverfahren. In der kristallinen oder amorphen Struktur kann ein Metall mit einem Anteil von 0,05 mol% bis 8 mol%, insbesondere von 1 mol% bis 5 mol-% eingebaut sein. Das Metall kann ausgewählt sein aus einer Gruppe, die Eu, Ce, Ir, Er und Cs umfasst. Je nach Konzentration dieser Metalle, die Dotierstoffe sind, in der Konversionsschicht wird mehr oder weniger der durch die Konversionsschicht hindurch tretenden Strahlung konvertiert. Die Farbe, also die Wellenlänge der aus der Konversionsschicht austretenden Strahlung ist somit durch die Konzentration der Dotierstoffe in der
Konversionsschicht abstimmbar.
Die Konversionsschicht kann eine Dicke aufweisen, die aus dem Bereich 10 nm bis 5 μπι ausgewählt ist. Die Konversionsschicht kann beispielsweise 10 nm aufweisen. In diesem Fall können mehrere Konversionsschichten übereinander auf dem Substrat aufgebracht sein, um den Effekt der Strahlungskonversion zu erhöhen .
Zwischen dem Substrat und der Konversionsschicht kann eine gute Haftung durch die Herstellungsmethode erzielt werden. Durch die im Verfahrensschritt C) stattfindende Hydrolyse und Kondensation können auch Bindungen zwischen einem
anorganischen Substrat und der vernetzenden Gel-Schicht entstehen. Diese Bindungen bleiben auch während der
anschließenden thermischen Behandlung im Verfahrensschritt D) bestehen, womit eine kovalente Bindung zwischen der
Konversionsschicht und dem Substrat ausgebildet wird. Je rauer das Substrat ausgeformt ist, desto mehr Bindungen zu dem Gel können entstehen, und desto besser ist die Haftung der Konversionsschicht auf dem Substrat. Solche Bindungen können beispielsweise Bindungen zwischen OH-Gruppen des
Substrats und des Gels sein.
Die Oberfläche der Konversionsschicht ist weiterhin einfach zu modifizieren, sodass gegebenenfalls eine Rauhigkeit hergestellt werden kann, die den Strahlungsaustritt aus der Konversionsschicht verbessert. Schließlich wird noch ein optoelektronisches Bauelement bereitgestellt, das einen Träger, mindestens einen
strahlungsemittierenden Halbleiterchip auf dem Träger und ein Strahlungskonversionselement gemäß den oben genannten
Eigenschaften auf dem Halbleiterchip enthält. Das
Strahlungskonversionselement kann die von dem Halbleiterchip emittierte Strahlung konvertieren. Dies kann entweder durch Konversion mittels eines Strahlungskonvertierenden Substrats und einer konvertierenden Modifikation durch die
Konversionsschicht geschehen, oder alleine durch die
Konversionsschicht, wenn das Substrat inaktiv gegenüber
Strahlung ist und die Konversionsschicht alleinige
Strahlungskonversionsschicht ist .
Ein derart ausgestaltetes optoelektronisches Bauelement weist eine verbesserte Feinabstimmung der emittierten Strahlung auf, so dass die gewünschte Wellenlänge der emittierten
Strahlung genau eingestellt werden kann.
Ein solches optoelektronisches Bauelement kann beispielsweise eine LED sein.
Anhand der Figur und des Ausführungsbeispiels soll die
Erfindung noch näher erläutert werden.
Figur 1 schematische Seitenansicht eines optoelektronischen Bauelements
Figur 2 Schema der Verfahrensschritte des Verfahrens zur Herstellung eines Strahlungskonversionselements
Figur 1 zeigt die schematische Seitenansicht eines
optoelektronischen Bauelements, das einen Träger 10, einen strahlungsemittierenden Halbleiterchip 20, eine erste und zweite Kontaktierung 31 und 32, ein Gehäuse 40, einen Verguss 50, einen Bonddraht 33 und ein Strahlungskonversionselement 60 umfasst. Das Strahlungskonversionselement 60 enthält ein Substrat 61 und eine Konversionsschicht 62. Das Substrat 61 kann selbst Strahlungskonvertierend sein oder inaktiv
gegenüber Strahlung sein. Die Konversionsschicht 62 ist eine Strahlungskonvertierende Schicht und kann je nach
Ausgestaltung des Substrats eine Modifikation der Wellenlänge der durch das Substrat konvertierten Strahlung bewirken oder alleinige Strahlungskonversionsschicht sein. Der
Halbleiterchip 20 kann Strahlung einer Wellenlänge
emittieren, die durch das Strahlungskonversionselement 60 in eine gewünschte Wellenlänge konvertiert wird. Das
Strahlungskonversionselement 60 sowie auch der Verguss 50 sind transparent ausgeformt.
Im Folgenden wird ein Beispiel für die Herstellung einer Konversionsschicht 62 auf einem Substrat 61 angegeben.
Zunächst wird eine Lösung hergestellt, die eine Mischung aus Metallprekursoren und lumineszierenden Dotierstoffprekursoren enthält. Metallprekursoren können Metallalkoxide, -acetate, - Chloride oder -nitrate umfassen. Auch die
Dotierstoffprekursoren können Metallalkoxide, -acetate, - Chloride und -nitrate umfassen. Die Metalle der
Metallprekursoren umfassen eines oder mehrere aus AI, Si, Ti und Zr, die Metalle der Dotierstoffprekursoren umfassen eines oder mehrere aus Eu, Ce, Ir, Er und Cs . Die Prekursoren können vor ihrer Mischung stabilisiert werden, um eine einfache Handhabung der Lösung zu erreichen und die Bildung von Sekundärphasen zu vermeiden. Diese Lösung wird auf einem Substrat, beispielsweise einem anorganischen Substrat, das aus einer Keramik, einem Glas oder einer Glaskeramik gebildet ist, mittels Spin-Coating, Dip-Coating oder Spray-Coating aufgebracht. Die Lösung auf dem Substrat kondensiert und hydrolysiert bei Raumtemperatur zu einem Gel und wird anschließend für einige Minuten bei 110°C getrocknet. Dabei bildet sich ein hoher Vernetzungsgrad in der Gel-Schicht. Der Trocknungsschritt kann mehrere Male wiederholt werden, um die bevorzugte Schichtdicke zu
erhalten.
Das so beschichtete Substrat wird anschließend in
Sauerstoffatmosphäre bei Temperaturen von bis zu 600°C kalziniert, um organische Reste in dem Gel zu entfernen und die Bildung eines anorganischen, amorphen Netzwerkes zu ermöglichen .
Das kalzinierte Netzwerk auf dem Substrat wird anschließend bei höheren Temperaturen einer Pyrolyse unterzogen, um die Kristallisation der amorphen Schicht zu ermöglichen. Die Atmosphäre bei der Pyrolyse kann eine Sauerstoff-,
Stickstoff- oder Formiergasatmosphäre sein. Die Auswahl der Atmosphäre erfolgt je nachdem wie das Material der amorphen Schicht zusammengesetzt ist, was für stöchiometrische
Verhältnisse vorliegen und wie die Oxidationszustände der Dotierstoffe sind.
Die Intensität der Strahlungskonversion durch die
Konversionsschicht hängt sowohl von der Dicke der
Konversionsschicht als auch von der Konzentration des
Dotierstoffs in dieser Schicht ab. Die Dicke der
Konversionsschicht kann mittels der Aufbringtechnik im
Verfahrensschritt B) , der Viskosität der Lösung, also der Menge an Lösungsmittel in der im Verfahrensschritt A) bereitgestellten Lösung, und der Anzahl der hergestellten Konversionsschichten bestimmt werden. Je dicker die Schicht und je höher die Konzentration an Dotierstoffen, desto höher ist die Intensität der Strahlungskonversion, das heißt, desto mehr wird gesamte die Strahlung in Richtung höherer oder niedrigerer Wellenlängen verschoben.
Die Parameter der Aufbringungstechnik, beispielsweise die Spingeschwindigkeit oder -zeit, können variiert werden, um dickere beziehungsweise dünnere Konversionsschichten
herzustellen. Dickere Schichten können hergestellt werden, in dem bereits vernetzte Lösungen mit dementsprechend hoher Viskosität bereitgestellt werden.
Wird die Beschichtung mehrmals wiederholt, können die
Konversionsschichten ebenfalls dicker ausgebildet werden. Wiederholungen sind möglich nach dem Trocknen der Schicht im Verfahrensschritt Dl), nach der Kalzination im
Verfahrensschritt D2 ) oder nach der Pyrolyse im
Verfahrensschritt D3) . Diese Möglichkeiten, wann eine weitere Lösung zur Bildung einer weiteren Konversionsschicht
aufgebracht werden kann, sind auch in Figur 2 aufgezeigt, wo zudem auch noch die Verfahrensschritte A) Bereitstellen der Lösung und die Verfahrensschritte B) und C) Aufbringen der Lösung und Hydrolyse und Kondensation vor dem
Verfahrensschritt Dl) angegeben sind.
Die hier beschriebene Erfindung ist nicht durch die
Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele 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 .

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung eines
Strahlungskonversionselements (60) mit den
Verfahrensschritten:
A) Bereitstellen eines Substrats (61) und einer stabilen Lösung, die lumineszierende Dotierstoffprekursoren umfasst,
B) Aufbringen der Lösung auf das Substrat (61),
C) Hydrolyse und Kondensation der Lösung zur Bildung eines Gels,
D) Thermisches Behandeln des Gels zur Bildung einer
Konversionsschicht (62) auf dem Substrat (61) .
2. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der stabilen Lösung im Verfahrensschritt A) weiterhin ein
Lösungsmittel und Metallprekursoren zugegeben wird.
3. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei für die im Verfahrensschritt A) bereitgestellte Lösung
Metallprekursoren aus einer Gruppe ausgewählt werden, die Metallalkoxide, -acetate, -Chloride und -nitrate umfasst.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Dotierstoffprekursoren im Verfahrensschritt A) aus einer Gruppe ausgewählt werden, die Metallalkoxide, -acetate, - Chloride und -nitrate der Metalle Eu, Ce, Ir, Er und Cs umfasst .
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Aufbringen im Verfahrensschritt B) mittels einer Methode durchgeführt wird, die aus einer Gruppe ausgewählt ist, die Spin-Coating, Dip-Coating oder Spray-Coating umfasst.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Verfahrensschritt D) die Schritte
Dl) Trocknen des Gels,
D2 ) Kalzinieren des Gels zur Bildung einer amorphen Schicht, D3) Pyrolyse der amorphen Schicht zur Bildung einer
Konversionsschicht (62) .
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Verfahrensschritte B) bis D) mindestens zweimal
wiederholt werden.
8. Strahlungskonversionselement (60), hergestellt nach einem Verfahren gemäß den Ansprüchen 1 bis 7, umfassend
ein Substrat (61) und mindestens eine Konversionsschicht (62) auf dem Substrat (61) .
9. Strahlungskonversionselement (60) nach dem vorgehenden Anspruch, das transparent ist.
10. Strahlungskonversionselement (60) nach einem der
Ansprüche 8 oder 9, wobei das Substrat (61) Strahlung
konvertierend oder inaktiv gegenüber Strahlung ist.
11. Strahlungskonversionselement (60) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das Strahlung konvertierende Substrat (61) ein anorganisches Material aufweist.
12. Strahlungskonversionselement (60) nach einem der
Ansprüche 8 bis 11, wobei die Konversionsschicht (62) eine kristalline oder amorphe Struktur aufweist.
13. Strahlungskonversionselement (60) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei in der kristallinen oder amorphen Struktur ein Metall, das ausgewählt ist aus einer Gruppe, die Eu, Ce, Ir, Er und Cs umfasst, mit einem Anteil von 0,05 mol% bis 8 mol% eingebaut ist.
14. Strahlungskonversionselement (60) nach einem der
Ansprüche 8 bis 13, wobei die Konversionsschicht (62) eine Dicke aufweist, die aus dem Bereich 10 nm bis 5 μπι ausgewählt ist .
15. Optoelektronisches Bauelement enthaltend
- einen Träger (10),
- mindestens einen Strahlungsemittierenden Halbleiterchip (20) auf dem Träger (10) und
- ein Strahlungskonversionselement (60) gemäß den Ansprüchen 8 bis 14 auf dem Halbleiterchip (20) .
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