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DE102014100837A1 - Lichtemittierendes Bauelement und Verfahren zur Herstellung eines lichtemittierenden Bauelements - Google Patents

Lichtemittierendes Bauelement und Verfahren zur Herstellung eines lichtemittierenden Bauelements Download PDF

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DE102014100837A1
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Inventor
Norwin von Malm
Britta Göötz
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Ams Osram International GmbH
Original Assignee
Osram Opto Semiconductors GmbH
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein lichtemittierendes Bauelement umfassend ein Konversionselement, wobei das Konversionselement eine lichtemittierende Oberfläche aufweist, die mit einer Konversionsschicht (5) versehen ist, wobei die Konversionsschicht (5) ein Matrixmaterial (11) und ein Konvertermaterial (10) enthält, wobei sowohl das Matrixmaterial (11) als auch das Konvertermaterial (10) im Hochvakuum verdampfbare Materialien sind, wobei das Matrixmaterial (11) und das Konvertermaterial (10) durch Verdampfen aus einem Hochvakuum auf die lichtemittierende Oberfläche aufgebracht sind, wobei das Matrixmaterial (11) die Strukturformelaufweist, wobei R1, R2, R3, R4 und X unabhängig voneinander gewählt sein können und aus der Gruppe, die F, Cl und H umfasst, ausgewählt sind und wobei n ≥ 2 gilt. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines lichtemittierenden Bauelements.

Description

  • Es wird ein lichtemittierendes Bauelement angegeben. Ferner wird ein Verfahren zur Herstellung eines derartig lichtemittierenden Bauelements angegeben.
  • Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, ein lichtemittierendes Bauelement mit einem Konversionselement anzugeben, das besonders stabil ist. Ferner ist Aufgabe, ein Verfahren zur Herstellung eines derartig lichtemittierenden Bauelements anzugeben.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das lichtemittierende Bauelement ein Konversionselement auf. Das Konversionselement kann eine lichtemittierende Oberfläche aufweisen. Die lichtemittierende Oberfläche ist mit einer Konversionsschicht versehen. Mit einer Konversionsschicht versehen bedeutet hierbei, ein unmittelbarer oder mittelbarer Kontakt zwischen der lichtemittierenden Oberfläche des Konversionselements und der Konversionsschicht.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Konversionsschicht auf einer Elektrodenschicht eines lichtemittierenden Bauelements, beispielsweise einer organischen Leuchtdiode, angeordnet. Die Elektrodenschicht kann als Anode ausgestaltet sein. Die Anode ist insbesondere semi-transparent. Die Elektrodenschicht kann Indium-Zinn-Oxid (ITO) und/oder ein Metall wie Silber, Aluminium, Kadmium, Barium, Indium, Magnesium, Kalzium, Lithium oder Gold umfassen oder aus einem oder mehreren der genannten Metalle bestehen. Insbesondere ist die Konversionsschicht auf einer semi-transparenten Anode angeordnet und das lichtemittierende Bauelement als Top-Emitter ausgeformt. Alternativ kann die Elektrodenschicht als Kathode ausgeformt sein.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform kann die Konversionsschicht auf einem Substrat oder Träger angeordnet sein. Das Substrat oder der Träger können beispielsweise aus Glas sein.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform kann die Konversionsschicht auf einem Halbleiterelement eines lichtemittierenden Bauelements direkt angeordnet sein oder ihm zumindest im Strahlengang nachgeordnet sein. Zumindest ihm nachgeordnet bedeutet hier und im Folgenden, dass zwischen der Konversionsschicht und dem Halbleiterelement weitere Schichten, beispielsweise eine Verbindungsschicht, vorhanden sind. Das Halbleiterelement ist insbesondere in einer Leuchtdiode (LED) angeordnet.
  • Das Halbleiterelement basiert bevorzugt auf einem III-V-Verbindungshalbleitermaterial. Bei dem Halbleitermaterial handelt es sich bevorzugt um ein Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial wie AlnIn1-n-mGamN oder auch um ein Phosphid-Verbindungshalbleitermaterial wie AlnIn1-n-mGamP, wobei jeweils 0 ≤ n ≤ 1, 0 ≤ m ≤ 1 und n + m ≤ 1 ist. Ebenso kann es sich bei dem Halbleitermaterial um AlxGa1-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.
  • Das Halbleiterelement kann eine aktive Schicht mit mindestens einem pn-Übergang und/oder mit einer oder mit mehreren Quantentopfstrukturen beinhalten. Im Betrieb des Halbleiterelements wird in der aktiven Schicht eine elektromagnetische Primärstrahlung erzeugt. Eine Wellenlänge der elektromagnetischen Primärstrahlung liegt bevorzugt im ultravioletten und/oder sichtbaren Spektralbereich, insbesondere bei Wellenlängen zwischen einschließlich 420 nm und 680 nm, zum Beispiel zwischen einschließlich 440 nm und 480 nm.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die Konversionsschicht ein Konversionsmaterial und ein transparentes Matrixmaterial, welches das Konversionsmaterial umgibt. Das Matrixmaterial kann aus einem Hochvakuum auf die lichtemittierende Oberfläche aufgebracht werden. Das Matrixmaterial kann die Strukturformel
    Figure DE102014100837A1_0003
    aufweisen,
    wobei R1, R2, R3, R4 und X unabhängig voneinander gewählt sein können. R1, R2, R3, R4 und X können aus einer Gruppe gewählt sein, die Alkyl, Aryl, Heteroaryl, Ethergruppen, Ethoxygruppen, Wasserstoff, Kohlenstoff, Stickstoff, Schwefel und Halogene, wie Fluor, Chlor, Brom, Jod umfasst.
  • Insbesondere sind R1, R2, R3, R4 und X unabhängig voneinander gewählt und/oder aus der Gruppe ausgewählt, die F, Cl und H umfasst.
  • Es gilt n ≥ 2, wobei n die Anzahl der Monomereinheiten des Matrixmaterials bedeutet. Insbesondere ist n größer oder gleich 1000 und kleiner oder gleich 5000, bevorzugt zwischen 1500 und 4000, beispielsweise 2000.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist R1, R2, R3, R4 und X jeweils Wasserstoff. Alternativ kann R2 Chlor sein und R2, R3, R4 und X jeweils Wasserstoff sein. Alternativ kann R1 und R3 jeweils Chlor sein und R2 und R4 und X jeweils Wasserstoff sein. Alternativ kann R1, R2, R3, R4 jeweils Wasserstoff und X Fluor sein.
  • Das Matrixmaterial kann ein Poly(p-Xylylen) sein. Poly(p-Xylylen)e können auch als Parylene oder PPX bezeichnet werden. Parylene sind eine Gruppe von inerten, hydrophoben, optisch transparenten, polymeren Beschichtungsmaterialien. PPX kann durch chemische Abscheidungspolymerisation (Chemical Vapor Deposition Polymerisation, CVDP) von Paracyclophan, p-Xylen oder Estern oder Ethern von α, α'-Bis(Hydroxymethyl)-p-Xylen hergestellt werden. Der Vorteil des CVDP-Verfahrens ist, dass PPX mit hoher chemischer Reinheit, das heißt ohne Verunreinigung des PPX mit Lösungsmittelmolekülen, erzeugt werden kann. Des Weiteren können unlösliche Polymere in verschiedenen Formen und Nanodimensionen mittels CVDP-Verfahren hergestellt werden.
  • Nachfolgend sind die Möglichkeiten A) bis E) für die Herstellung des Matrixmaterials mit R1, R2, R3, R4 und X jeweils H mittels Gasabscheidung gezeigt.
    Figure DE102014100837A1_0004
  • Die Möglichkeiten A) bis E) zur Herstellung des Matrixmaterials sind aber prinzipiell auch für Ausgangsmaterialien mit anderen Resten R1, R2, R3, R4 und X geeignet, als oben angegeben.
  • Im Folgenden soll die Möglichkeit A) zur Herstellung des Matrixmaterials durch chemische Gasabscheidung beschrieben werden: Das Ausgangsmaterial kann p-Xylol (1) oder halogenierte Derivate davon sein. Dieses p-Xylol verdampft und wird durch eine Hochtemperaturzone bei ca. 250 °C geleitet. Dabei bildet sich ein reaktives [2,2]-Paracyclophan (2), das zu 1,4 Chinondimethan (3) zerfällt. Das Chinondimethan (3) polymerisiert auf Oberflächen, insbesondere einer Oberfläche des Konversionselements, sofort zum kettenförmigen Poly-p-Xylen (4) mit R1, R2, R3, R4 und X jeweils H.
    Figure DE102014100837A1_0005
  • Die Verwendung von PPX als Matrixmaterial zeigt den Vorteil, dass das PPX chemisch inert ist. Insbesondere ist das Matrixmaterial bei Einwirken von Strahlung aus dem blauen Spektralbereich chemisch beständig. Ferner weist das Matrixmaterial eine Transparenz für Wellenlängen im blauen Spektralbereich auf. Blauer Spektralbereich bedeutet insbesondere zumindest ein Wellenlängenmaximum zwischen 460 nm und 480 nm. Das Matrixmaterial ist chemisch beständig und kann als Feuchtebarriere für feuchteempfindliche Konversionsmaterialien genutzt werden. Mit anderen Worten, kann das Matrixmaterial ein als Partikel oder Einzelmolekül ausgeformtes Konversionsmaterial umhüllen. Damit kann das Matrixmaterial als eine Barriere gegen Feuchtigkeit und/oder Sauerstoff und/oder sauren Gasen fungieren. Das Matrixmaterial kann zudem noch eine gute Barrierewirkung gegen anorganische und organische Medien, starken Säuren, Laugen, Gase und Wasserdampf aufweisen. Dadurch kann die Stabilität des Konvertermaterials erhöht werden. Durch die Barrierewirkung des PPX als Matrixmaterial kann das Konvertermaterial aus chemisch reaktiven Substanzen, insbesondere aus organischen Molekülen bestehen, die gegenüber Sauerstoff und/oder Feuchtigkeit sensitiv sind. Gleichzeitig wird durch die Barrierewirkung des PPX als Matrixmaterials auch das lichtemittierende Bauelement vor Umwelteinflüssen geschützt. Ferner ist durch die Abscheidung aus der Gasphase ein einfaches und gleichmäßiges Vermischen von Matrixmaterial und Konvertermaterial möglich.
  • Das Matrixmaterial kann zudem als dünne Schicht ausgeformt sein, beispielsweise mit einer Schichtdicke von kleiner oder gleich 10 nm. Insbesondere ist die dünne Schicht zusätzlich transparent. Dies ist von Vorteil, da eine derartig dünne Schicht eine hohe Spaltgängigkeit aufweist und damit beim Abscheiden eine sehr gute Kantenbedeckung über einer Elektrodenschicht oder einem Halbleiterelement des lichtemittierenden Bauelements zeigt.
  • Ferner kann das Matrixmaterial korrosionsstabil, temperaturbeständig bis 220 °C und mechanisch stabil von –200 °C bis 150 °C sein.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die Konversionsschicht ein Konvertermaterial auf. Das Konvertermaterial ist wellenlängenkonvertierend. Mit anderen Worten kann mittels dem Konvertermaterial eine von einer Strahlungsquelle emittierte elektromagnetische Strahlung teilweise oder vollständig in Strahlung mit veränderten Wellenlängen konvertiert werden. Das Konvertermaterial kann als Partikel oder als einzelne vom Matrixmaterial umgebene Moleküle ausgeformt sein. Die Partikel oder Moleküle können in dem Matrixmaterial eingebettet sein, wobei das Matrixmaterial die Partikel des Konvertermaterials umhüllt und somit die Konvertermaterialien vor Feuchtigkeit und/oder sauren Gasen schützt. Das Konvertermaterial kann ein organisches oder anorganisches Material sein. Insbesondere ist das Konvertermaterial organisch.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst oder besteht das Konvertermaterial aus einen organischen Lumineszenzfarbstoff.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das Konvertermaterial aus folgender Gruppe und deren Kombinationen ausgewählt: Perylen und dessen Derivate, Diindenoperylen und dessen Derivate, Benzopyren und dessen Derivate, Coumarin und dessen Derivate, Rhodamin und dessen Derivate, Azoverbindungen, Terrylen und dessen Derivate, Quaterrylen und dessen Derivate, Naphthalimid und dessen Derivate, Cyanin oder Cyanine, Phthalocyanin und dessen Derivate, Fluorescein und dessen Derivate, Fluoren und dessen Derivate, Pyren und dessen Derivate, Pyranin und dessen Derivate, Styryle, Xanthen und dessen Derivate, Oxazin und dessen Derivate, Anthracen und dessen Derivate, Naphthacen und dessen Derivate, Anthrachinon und dessen Derivate und Thiazin und dessen Derivate.
  • Perylen meint hier das unsubstituierte Perylen. Das unsubstituierte Perylen weist die Strukturformel
    Figure DE102014100837A1_0006
    auf.
  • Ein Derivat des Perylens meint hier, dass das Konversionsmaterial eine Perylengrundstruktur, also ein unsubstituiertes Perylen, aufweist, wobei die Perylengrundstruktur mit weiteren Substituenten S1 bis S12 substituiert sein kann. Ein Derivat des Perylens weist die folgende Strukturformel auf:
    Figure DE102014100837A1_0007
  • Die Substituenten S1 bis S12 können dabei unabhängig voneinander aus folgender Gruppe ausgewählt sein: Wasserstoff, Alkyl, Ethoxy, Aryl, Heteroaryl, Carbonsäureanhydrid, Diimid. Insbesondere sind solche Substituenten bevorzugt, die das Molekül vor radikalischen Angriffen durch das Matrixmaterial oder dessen Precursorn schützen, z.B. durch sterische Hinderung.
  • Insbesondere kann das Derivat des Perylens ein 3,4,9,10-Perylen-tetracarbonsäure-dianhydrid (PTCDA) oder N,N'-Dimethyl-3,4,9,10-Perylentetracarbonsäurediimid (MePTCDI) sein.
  • Insbesondere weist das Derivat des Perylens folgende Strukturformel auf:
    Figure DE102014100837A1_0008
  • Entsprechende Definitionen sind analog auf Benzopyren und dessen Derivate, Coumarin und dessen Derivate, Terrylen und dessen Derivate, Quaterrylen und dessen Derivate, Naphthalimid und dessen Derivate, Xanthen und dessen Derivate, Oxazin und dessen Derivate, Anthracen und dessen Derivate, Naphthacen und dessen Derivate, Anthrachinon und dessen Derivate und Thiazin und dessen Derivate anwendbar.
  • Rhodamin bedeutet hier, dass ein unsubstituiertes Xanthen vorliegt. Derivat des Rhodamin bedeutet, dass Xanthen derivatisiert ist.
  • Cyanin oder Cyanine bezeichnet hier eine chemische Verbindung aus der Gruppe der Polymethin-Farbstoffe.
  • Azo-Verbindung bedeutet hier und im Folgenden, dass das Konvertermaterial zumindest eine Azogruppe aufweist. Insbesondere ist die Azo-Verbindung ein Azo-Farbstoff.
  • Styryle bedeutet hier zumindest ein fluoreszierender Farbstoff, wie beispielsweise [4-[2-(4-Fluoro-phenyl)-vinyl]-phenyl]-diphenyl-amine, Diphenyl-(4-styryl-phenyl)-amine, 3-[2-(5-tert-Butyl-benzooxazol-2-yl)-vinyl]-9-ethyl-9H-carbazole, 1,4-Bis-[2-(4-fluoro-phenyl)-vinyl]-2,5-bis-octyloxy-benzene und/oder 5-tert-Butyl-2-(2-(4-(2-(5-tert-butylbenzoxazol-2-yl)vinyl)phenyl)vinyl)benzoxazole.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird das Konvertermaterial aus einem zweiten Precursor erzeugt.
  • Der zweite Precursor kann im Hochvakuum verdampft werden und anschließend, inbesondere beim Abscheiden, das Konvertermaterial bilden. Der zweite Precursor kann die gleiche oder eine unterschiedliche chemische Zusammensetzung wie das gebildete Konvertermaterial aufweisen. Mit anderen Worten kann das Konvertermaterial dem zweiten Precursor entsprechen, wenn der zweite Precursor sich während des Verdampfens nicht chemisch verändert. Alternativ kann sich das Konvertermaterial von dem zweiten Precursor chemisch unterscheiden.
  • Der zweite Precursor kann gemäß zumindest einer Ausführungsform im Hochvakuum verdampft werden. Dabei kann das Konvertermaterial erzeugt werden, welches eine gleiche chemische Zusammensetzung wie der zweite Precursor aufweist.
  • Alternativ kann der zweite Precursor unter Bildung einer gewünschten Umwandlung verdampft werden und ein Konvertermaterial erzeugt werden, das sich in der chemischen Strukturformel von der Strukturformel des zweiten Precursors unterscheidet. Alternativ können auch andere zweite Precursor eingesetzt werden, welche derart chemisch modifiziert werden, dass sie verdampft werden können. Der zweite Precursor kann auf der lichtemittierenden Oberfläche des Konversionselements abgeschieden werden, wobei sich das Konvertermaterial bildet. Gleichzeitig kann ein erster Precursor verdampft werden, aus dem beim Abscheiden das Matrixmaterial gebildet werden kann, wie es insbesondere vorstehend beschrieben ist. Das Matrixmaterial kann das Konvertermaterial umhüllen und damit als Verkapselung dienen. Alternativ kann zuerst das Konvertermaterial und anschließend das Matrixmaterial abgeschieden werden. Damit kann eine Abdeckschicht aus dem Matrixmaterial für das Konvertermaterial erzeugt werden.
  • Der erste Precursor kann im Hochvakuum gemäß zumindest einer Ausführungsform verdampft werden. Es bildet sich ein Matrixmaterial, das chemisch identisch mit dem ersten Precursor ist. Alternativ kann der zweite Precursor unter Bildung einer gewünschten Umwandlung verdampft werden. Es bildet sich ein Konvertermaterial, das sich in der chemischen Strukturformel von der Strukturformel des ersten Precursors unterscheidet.
  • Das Matrixmaterial oder der erste Precusor wird gemäß zumindest einer Ausführungsform verdampft und zersetzt sich dabei zu einem Monomer. Anschließend kann das Monomer beim Abscheiden polymerisieren. Insbesondere erfolgt die Polymerisation der Monomere des Matrixmaterials radikalisch, wobei kein Initiator benötigt wird. Ferner müssen nicht zwingend Katalysatoren für das Einbringen des Konvertermaterials in das Matrixmaterial eingesetzt werden. Um ein gutes Ergebnis einer Verkapselung zu erhalten, kann die Polymerbildung des Matrixmaterials zeitlich vor der Verdampfung des Konvertermaterials gestartet werden. Anschließend kann die Verdampfung des Konvertermaterials gestartet werden, wobei nach der Abscheidung der gewünschten Menge des Konvertermaterials, die Abscheidung des Konvertermaterials zeitlich eher als die Abscheidung des Matrixmaterials gestoppt wird. Mit anderen Worten läuft die Abscheidung des Matrixmaterials zeitlich länger, hat also eine Vorlaufzeit und eine Nachlaufzeit im Vergleich zur Abscheidung des Konvertermaterials. Dadurch kann eine sehr gute Verkapselung des Konvertermaterials mit dem Matrixmaterial erzeugt werden, wobei das Matrixmaterial das Konvertermaterial vor Feuchtigkeit und Umwelteinflüssen schützt.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das lichtemittierende Bauelement ein Konversionselement, wobei das Konversionselement eine lichtemittierende Oberfläche aufweist, die mit einer Konversionsschicht versehen ist. Die Konversionsschicht enthält ein Matrixmaterial und ein Konvertermaterial. Das Matrixmaterial als auch das Konvertermaterial sind im Hochvakuum verdampfbare Materialien. Das Matrixmaterial und das Konvertermaterial können aus einem Hochvakuum auf die lichtemittierende Oberfläche aufgebracht werden. Das Matrixmaterial weist folgende Strukturformel
    Figure DE102014100837A1_0009
    auf,
    wobei R1, R2, R3, R4 und X unabhängig voneinander gewählt sein können und aus der Gruppe, die F, Cl und H umfasst, ausgewählt sind und
    wobei n ≥ 2 gilt.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das lichtemittierende Bauelement ein Konversionselement mit einer Konversionsschicht und einem Halbleiterelement. Das Halbleiterelement weist eine lichtemittierende Oberfläche auf, die mit einer Konversionsschicht versehen ist. Die Konversionsschicht enthält ein Matrixmaterial und ein Konvertermaterial. Das Matrixmaterial als auch das Konvertermaterial können jeweils aus einem Precursor hergestellt werden, wobei beim Abscheiden das Matrixmaterial und das Konvertermaterial erzeugt werden können. Die Precursor können aus einem Hochvakuum auf die lichtemittierende Oberfläche aufgebracht werden, wobei das Matrixmaterial und das Konvertermaterial beim Abscheiden auf die lichtemittierende Oberfläche erzeugt werden. Das Matrixmaterial weist folgende Strukturformel
    Figure DE102014100837A1_0010
    auf,
    wobei R1, R2, R3, R4 und X unabhängig voneinander gewählt sein können und aus der Gruppe, die F, Cl und H umfasst, ausgewählt sind und
    wobei n ≥ 2 gilt. Diese Ausführungsform kann mit allen bisher genannten Ausführungsformen entsprechend kombiniert werden.
  • Im Hochvakuum verdampfbar kann dabei beispielsweise heißen, dass Matrixmaterial oder der erste Precursor und das Konvertermaterial oder der zweite Precursor durch Verdampfen im Hochvakuum auf eine für Strahlungsemission vorgesehene Oberfläche aufgebracht werden können.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das Konvertermaterial derart in dem Matrixmaterial eingebettet, sodass die Mehrheit der einzelnen Moleküle des Konvertermaterials einen gegenseitigen Abstand von > 3 nm und < 150 nm bezogen auf die längste Moleküllängsachse der Konvertermaterialmoleküle aufweist. Ein Abstand von > 3 nm und < 150 nm bezogen auf die längste Molekühllängsachse der Konvertermaterialmoleküle weist insbesondere den Vorteil auf, dass die einzelnen Konvertermaterialmoleküle nicht die Fluoreszenz quenchen. Ein solcher Mindestabstand kann dadurch erzeugt werden, indem man Konvertermaterial mit einer niedrigen Konzentration „coverdampft“. „Coverdampft“ bedeutet hier und im Folgenden, dass das Verdampfen von Konvertermaterial zeitlich zusammen mit dem Matrixmaterial erfolgt. Durch das Coverdampfen von Matrixmaterial und Konvertermaterial kann das Konvertermaterial in dem Matrixmaterial eingebettet werden und somit die einzelnen Konvertermaterialmoleküle voneinander abschirmen, sodass ein Fluoreszenzquenching („Konzentrationsquenching“) vermieden wird. Zum anderen sind noch ausreichend Konvertermaterialien in der Konversionsschicht vorhanden, sodass ein hoher Konzentrationsgrad bei hoher Leuchteffizienz des lichtemittierenden Bauelements erreicht werden kann.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das lichtemittierende Bauelement als organische Leuchtdiode (OLED) oder Leuchtdiode (LED) ausgebildet.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind das Matrixmaterial oder der erste Precursor und das Konvertermaterial oder der zweite Precursor so gewählt, dass sie in derselben Anlage zusammen mit strahlungserzeugenden Schichten aufgedampft werden können.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Konversionsschicht flächig ausgebildet. Die Konversionsschicht kann auf eine strahlungsemittierende Oberfläche eines Konversionselements flächig aufgebracht werden. Das Konvertermaterial oder der zweite Precursor und das Matrixmaterial oder der erste Precursor sind im Hochvakuum sublimierbar und können daher in derselben Aufdampfanlage aus einem Hochvakuum aufgebracht werden, mit der auch die strahlungserzeugenden Schichten des Bauelements aufgebracht werden können.
  • Das Konvertermaterial kann in der Konversionsschicht als Fluoreszenzkonverter fungieren. Insbesondere konvertiert das Konvertermaterial die von einer Strahlungsquelle abgestrahlte elektromagnetische Primärstrahlung in eine elektromagnetische Sekundärstrahlung mit veränderter Wellenlänge. Dazu kann das Konvertermaterial in unterschiedlicher Konzentration in dem Matrixmaterial vorliegen. Insbesondere weist das Konvertermaterial 0,001 Gew.-% bis 10 Gew.-%, beispielsweise 0,1 bis 1 Gew.-% in dem Matrixmaterial auf. Es können auch mehrere Konvertermaterialien in der Konversionsschicht eingesetzt werden. Die Absorptionsbande zumindest eines Konvertermaterials sollte zumindest teilweise mit dem Wellenlängenbereich der emittierten Strahlung überlappen. Die Konvertermaterialien können für gleiche oder verschiedene Emissionswellenlängen vorgesehen werden. Die Herstellung geschieht zum Beispiel durch gleichzeitiges Verdampfen (Coverdampfen) aus mehreren Materialquellen. Somit können weiß emittierende Bauelemente hergestellt werden, insbesondere warm-weiß emittierende Bauelemente.
  • Neben dem lichtemittierenden Bauelement wird auch ein Verfahren zur Herstellung eines lichtemittierenden Bauelements angegeben. Dabei gelten für das Verfahren zur Herstellung eines lichtemittierenden Bauelements die gleichen Ausführungen und Definitionen, wie sie vorstehend für das lichtemittierende Bauelement angegeben wurden und umgekehrt.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das Verfahren folgende Verfahrensschritte:
    • A) Bereitstellen einer für Strahlungsemission vorgesehenen Oberfläche,
    • B) Aufdampfen einer Konversionsschicht aus einem Hochvakuum auf die für Strahlungsemission vorgesehene Oberfläche, wobei die Konversionsschicht ein Matrixmaterial und ein Konvertermaterial umfasst, welche gleichzeitig auf die für die Strahlungsemission vorgesehene Oberfläche aufgebracht werden. Das Matrixmaterial weist folgende Strukturformel auf:
      Figure DE102014100837A1_0011
      R1, R2, R3, R4 und X können unabhängig voneinander gewählt sein und aus der Gruppe, die F, Cl und H umfasst, ausgewählt sein. Es gilt: n ≥ 2.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird das Matrixmaterial im Verfahrensschritt B) aus einem ersten Precursor erzeugt, wobei der erste Precursor [2,2]-Paracyclophan oder ein Derivat davon ist.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird das Konvertermaterial im Verfahrensschritt B) chemisch nicht verändert. Mit anderen Worten weist das Konvertermaterial vor dem Verfahrensschritt B) und nach dem Verfahrensschritt B) eine gleiche chemische Zusammensetzung auf.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform erfolgt das Aufdampfen des Konvertermaterials im Schritt B) zusammen mit der strahlungserzeugenden Schicht des lichtemittierenden Bauelements. Zusammen kann hier bedeuten, dass das Aufdampfen in der gleichen Anlage, aber nicht zur gleichen Zeit erfolgt. Es kann aber auch bedeuten, dass das Aufdampfen in der gleichen Anlage zur gleichen Zeit erfolgt. Matrixmaterial und Konvertermaterial können somit zeitlich gleichzeitig aufgedampft werden. Die strahlungserzeugenden Schichten, zum Beispiel einer organischen Leuchtdiode, können vor dem gleichzeitigen Aufdampfen von Matrixmaterial und Konvertermaterial aufgedampft werden.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird die Konversionsschicht auf eine Elektrodenschicht aus einem für emittierte Strahlung transparenten Material aufgebracht. Insbesondere ist das transparente Material Indiumzinnoxid. Das transparente Material kann beispielsweise ein transparentes leitendes Oxid aufweisen oder daraus bestehen. Transparente leitende Oxide (transparent conductive oxides, kurz „TCO“) sind in der Regel Metalloxide, wie beispielsweise Zinkoxid, Zinnoxid, Kadmiumoxid, Titanoxid, Indiumoxid oder Indiumzinnoxid (ITO). Neben binären Metallsauerstoffverbindungen, wie beispielsweise ZnO, SnO2 oder In2O3 gehören auch ternäre Metallsauerstoffverbindungen, wie beispielsweise Zn2SnO4, CdSnO3, ZnSnO3, MgIn2O4, GaInO3, Zn2In2O5 oder In4Sn3O12 oder Mischungen unterschiedlicher transparenter leitender Oxide zu der Gruppe der TCOs. Dabei entsprechen die TCOs nicht zwingend einer stöchiometrischen Zusammensetzung und können weiterhin p- oder n-dotiert sein.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird bei dem Verfahren eine organische Leuchtdiode hergestellt. Alternativ kann eine Leuchtdiode hergestellt werden.
  • Nachfolgend wird das hier beschriebene lichtemittierende Bauelement sowie ein hier beschriebenes Verfahren zur Herstellung eines lichtemittierenden Bauelements unter Bezugnahme auf die Zeichnung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Gleiche Bezugszeichen geben dabei gleiche Elemente in den einzelnen Figuren an. Es sind dabei jedoch keine maßstäblichen Bezüge dargestellt. Vielmehr können einzelne Elemente zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein.
  • Die Figuren zeigen:
  • 1 eine schematische Seitenansicht eines lichtemittierenden Bauelements am Beispiel einer organischen Leuchtdiode gemäß einer Ausführungsform,
  • die 2 eine schematische Seitenansicht einer organischen Leuchtdiode gemäß einer Ausführungsform, und
  • die 3 bis 7 jeweils eine schematische Seitenansicht eines als Leuchtdiode gemäß einer Ausführungsform ausgeformten lichtemittierenden Bauelements.
  • Die 1 zeigt eine schematische Seitenansicht eines lichtemittierenden Bauelements am Beispiel einer organischen Leuchtdiode (OLED). Bei der OLED handelt es sich um eine Topemitter-OLED. Die OLED weist ein Substrat 2 auf. Das Substrat 2 kann Glas sein. Auf dem Substrat 2 kann direkt eine erste Elektrode 1 als Schicht ausgeformt sein. Nachfolgend kann eine Schichtstruktur 3 umfassend strahlungserzeugende Schichten angeordnet sein, welche zur Emission von elektromagnetischer Primärstrahlung eingerichtet ist. Die Schichtstruktur 3 umfasst insbesondere organische Materialien. Die elektromagnetische Primärstrahlung weist insbesondere ein Wellenlängenmaximum im Bereich von 430 nm bis 700 nm auf. Direkt auf der Schichtstruktur 3 kann eine zweite Elektrode 4 ebenfalls als Schicht ausgeformt sein. Die zweite Elektrode 4 kann als Kathode oder Anode ausgeformt sein, wobei die vorstehend genannten Materialien eingesetzt werden können. Insbesondere ist die zweite Elektrode 4 als Anode ausgeformt. Die erste Elektrode 1 kann als Anode oder Kathode ausgeformt sein. Insbesondere ist die erste Elektrode 1 als Kathode ausgeformt und kann aus einem Metall bestehen, bevorzugt aus einem Metall mit einer hohen Reflektivität. Insbesondere kann die zweite Elektrode 4 transparent sein. Direkt auf der zweiten Elektrode 4 ist die Konversionsschicht 5 angeordnet. Die Konversionsschicht 5 ist dazu eingerichtet, die elektromagnetische Primärstrahlung in elektromagnetische Sekundärstrahlung zu konvertieren. Die elektromagnetische Sekundärstrahlung weist insbesondere ein Wellenlängenmaximum im Wellenlängenbereich von 450 bis 800 nm auf. Die OLED ist als Topemitter ausgestaltet, emittiert also insbesondere von der Schichtstruktur 3 in Richtung Konversionselement 5.
  • Die 2 zeigt eine schematische Seitenansicht eines lichtemittierenden Bauelements am Beispiel einer organischen Leuchtdiode. Die 2 unterscheidet sich von der 1 dadurch, dass die OLED als sogenannter Bottomemitter ausgestaltet ist. Die Konversionsschicht 5 ist direkt unter dem Substrat 2 angeordnet. Insbesondere ist hierbei die erste Elektrode 1 transparent ausgeformt. Zusätzlich ist das Substrat 2 transparent ausgeformt. Dadurch kann die von der Schichtstruktur 3 erzeugte elektromagnetische Primärstrahlung durch die erste Elektrode 1 und dem Substrat 2 in die Konversionsschicht 5 gelangen und dort in eine elektromagnetische Sekundärstrahlung konvertiert werden und somit aus dem Bauelement in Richtung weg der zweiten Elektrode 4 emittiert werden.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform können die erste und zweite Elektrode 1, 4 transparent ausgeformt sein. Zusätzlich kann das Substrat 2 transparent sein. Die OLED ist als sogenannter Top-Bottomemitter ausgestaltet (hier nicht gezeigt).
  • Die 3 zeigt eine schematische Seitenansicht eines lichtemittierenden Bauelements am Beispiel einer Leuchtdiode gemäß einer Ausführungsform. Das lichtemittierende Bauelement weist ein Halbleiterelement auf. Das Halbleiterelement umfasst eine erste Elektrode 1, welche auf einer Rückseite eines elektrisch leitfähigen Substrats 2 aufgebracht ist. Das Halbleiterelement umfasst eine auf der Vorderseite des Substrats 2 befindliche Schichtstruktur 3, die an sich bekannte Schichten eines lichtemittierenden Bauelements umfassen kann und deren Einzelheiten hier nicht näher erläutert sind. Die Schichtstruktur 3 umfasst insbesondere die für die Strahlungserzeugung vorgesehenen aktiven Schichten zur Erzeugung der elektromagnetischen Primärstrahlung. Außerdem können Begrenzungsschichten oder für Strominjektion vorgesehene Mantelschichten vorgesehen sein. Auch können Verbindungsschichten enthalten sein, die die Halbleiterschichten mechanisch, thermisch und elektrisch mit dem Substrat 2 verbinden. Auf der von dem Substrat 2 abgewandten Seite der Schichtstruktur 3 befindet sich eine zweite Elektrode 4, die in dem Ausführungsbeispiel ganzflächig aufgebracht ist und aus einem Material besteht, das für die zu emittierende Strahlung transparent ist. Oberseitig ist auf der zweiten Elektrode 4 die Konversionsschicht 5 aufgebracht, die ein Matrixmaterial 11 und ein Konvertermaterial 10 umfasst, die vorzugsweise beide Materialien aufweisen, welche im Hochvakuum verdampfbar sind.
  • Die Strahlungsemission erfolgt ganzflächig nach oben in der durch den Pfeil dargestellten Richtung.
  • Die 3a zeigt eine schematische Seitenansicht eines lichtemittierenden Bauelements am Beispiel einer Leuchtdiode gemäß einer Ausführungsform. Das Bauelement weist eine erste Elektrode 1 auf, welche aus einer Lötkontaktschicht 1a und einer Kontaktschicht oder Stromverteilungsschicht 1b zusammengesetzt sein kann. Zwischen der Lötkontaktschicht 1a und der Stromverteilungsschicht 1b kann ein Substrat 2 angeordnet sein. Ferner weist das Bauelement eine zweite Elektrode 4, eine Schichtstruktur 3 und eine Konversionsschicht 5 auf. Die Konversionsschicht 5 kann bündig auf dem Substrat 2 angeordnet sein und die Stromverteilungsschicht 1b, die zweite Elektrode 4, die Schichtstruktur 3 umschließen und damit vor Umwelteinflüssen schützen.
  • Die 4a zeigt eine schematische Seitenansicht eines lichtemittierenden Bauelements am Beispiel einer Leuchtdiode gemäß einer Ausführungsform. Das lichtemittierende Bauelement weist ein Substrat 2, eine Schichtstruktur 3, eine erste und zweite Elektrode 1, 4 auf (Saphir-Chip). Die erste Elektrode 1 und die zweite Elektrode 4 sind auf einer Schichtstruktur 3 angeordnet. Die beiden Elektroden 1, 4 können extern kontaktiert sein. Auf den beiden Elektroden 1, 4 kann eine Konversionsschicht 5 aufgebracht sein.
  • Die 4b zeigt eine schematische Seitenansicht eines lichtemittierenden Bauelements am Beispiel einer Leuchtdiode gemäß einer Ausführungsform. Das lichtemittierende Bauelement weist ein Substrat 2, eine Schichtstruktur 3, eine erste und zweite Elektrode 1, 4 (Saphir-Flipchip) auf. Die erste Elektrode 1 und die zweite Elektrode 4, sind auf einer Schichtstruktur 3 angeordnet. Die Schichtstruktur 3 ist auf einem Substrat 2 angeordnet. Eine Konversionsschicht 5 umschließt den Chip von 5 Seiten, wobei die sechste Seite zwei Elektroden zur SMT-Montage aufweist.
  • Die 5 zeigt eine schematische Seitenansicht eines lichtemittierenden Bauelements am Beispiel einer Leuchtdiode gemäß einer Ausführungsform. Das lichtemittierende Bauelement weist einen Träger 7 auf. Der Träger 7 kann sich seitlich über die Seitenflächen des Halbleiterelements 6 und des Gehäuses 8 erstrecken oder mit den Seitenflächen des Gehäuses 8 bündig abschließen. In dem Gehäuse 8 ist das Halbleiterelement 6 eingebettet. Das Gehäuse 8 weist eine Ausnehmung 9 auf. In der Ausnehmung 9 ist die Konversionsschicht 5 ausgeformt. Die Konversionsschicht 5 bedeckt insbesondere vollständig die Seitenflächen der Ausnehmung 9, die Seitenflächen und die Oberfläche des Halbleiterelements 6. Die Konversionsschicht 5 weist ein Konversionsmaterial 10 und ein Matrixmaterial 11 auf. Über Die Konversionsschicht 5 kann zumindest im Bereich des Halbleiterelements 6 mit einem Verguss 13 bedeckt sein, der die Ausnehmung vollständig ausfüllen kann. Der Verguss 13 kann klar sein. Der Verguss 13 kann Phosphor-Partikel aufweisen.
  • 6 zeigt eine schematische Seitenansicht eines lichtemittierenden Bauelements am Beispiel einer Leuchtdiode gemäß einer Ausführungsform. Die 6 unterscheidet sich im Vergleich zu 5 dadurch, dass die Konversionsschicht 5 in der 6 als Folie ausgeformt ist. Das Konversionselement 5 ist insbesondere als vorgefertigte Folie ausgeformt. Vorgefertigt bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die Folie nicht direkt auf das Halbleiterelement abgeschieden wird, sondern z.B. in einem Pick-and-Place-Prozess als vorgefertigte Folie auf das Halbleiterelement 6 aufgebracht wird. Mit anderen Worten wird das als Folie ausgeformte Konversionselement 5 räumlich beabstandet zum Halbleiterelement 6 hergestellt. Die Folie kann eine Schichtdicke von ≤ 200 µm, beispielsweise 30 bis 100 µm, aufweisen.
  • Das Konversionselement kann neben der Konversionsschicht 5 eine transparente Trägerfolie 5a aufweisen oder daraus bestehen. Das Konversionselement kann mittels einer Verbindungsschicht 12 auf dem Halbleiterelement 6 befestigt werden. Die Verbindungsschicht 12 kann eine Kleberschicht sein (6a und 6b). In 6a ist die Verbindungsschicht 12 in direktem Kontakt mit der transparenten Trägerfolie 5a und die transparente Trägerfolie 5a ist in direktem Kontakt mit der Konversionsschicht 5 angeordnet. In 6b ist die Verbindungsschicht 12 in direktem Kontakt mit der Konversionsschicht 5 und die Konversionsschicht 5 ist in direktem Kontakt mit der transparenten Trägerfolie 5a angeordnet. Nach der Befestigung des Konversionselements auf dem Halbleiterelement 6 kann die transparente Trägerfolie 5a wieder entfernt werden (6b).
  • Die 7 zeigt eine schematische Seitenansicht eines lichtemittierenden Bauelements am Beispiel als Leuchtdiode gemäß einer Ausführungsform. Die 7 unterscheidet sich von der 6 dadurch, dass die Konversionsschicht 5 als Folie ausgeformt ist und von dem Halbleiterelement 6 räumlich beabstandet ist. Insbesondere weist die Konversionsschicht 5 einen Abstand von 0,1 0m bis 5 cm, bevorzugt 0,5 mm bis 5 mm vom Halbleiterelement 6 auf.
  • Die hier beschriebene Erfindung ist nicht auf die beschriebenen 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 (14)

  1. Lichtemittierendes Bauelement umfassend ein Konversionselement, – wobei das Konversionselement eine lichtemittierende Oberfläche aufweist, die mit einer Konversionsschicht (5) versehen ist, – wobei die Konversionsschicht (5) ein Matrixmaterial (11) und ein Konvertermaterial (10) enthält, – wobei sowohl das Matrixmaterial (11) als auch das Konvertermaterial (10) im Hochvakuum verdampfbare Materialien sind, – wobei das Matrixmaterial (11) und das Konvertermaterial (10) durch Verdampfen aus einem Hochvakuum auf die lichtemittierende Oberfläche aufgebracht sind, – wobei das Matrixmaterial (11) die Strukturformel
    Figure DE102014100837A1_0012
    aufweist, – wobei R1, R2, R3, R4 und X unabhängig voneinander gewählt sein können und aus der Gruppe, die F, Cl und H umfasst, ausgewählt sind und – wobei n ≥ 2 gilt.
  2. Lichtemittierendes Bauelement nach Anspruch 1, wobei das Konvertermaterial einen organischen Lumineszenzfarbstoff umfasst oder aus diesem besteht.
  3. Lichtemittierendes Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Konversionsschicht (5) auf einer Elektrodenschicht (1, 4) oder einem Halbleiterelement des lichtemittierenden Bauelements angeordnet ist, wobei das Konvertermaterial (10) derart in dem Matrixmaterial (11) eingebettet ist, so dass die Mehrheit der einzelnen Moleküle des Konvertermaterials (10) einen gegenseitigen Abstand von größer 3 nm und kleiner 150 nm bezogen auf die längste Moleküllängsachse der Konvertermaterialmoleküle hat.
  4. Lichtemittierendes Bauelement nach Anspruch 2, wobei das Matrixmaterial das eingebettete Konvertermaterial vor Umwelteinflüssen schützt.
  5. Lichtemittierendes Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Konvertermaterial (10) aus folgender Gruppe und deren Kombinationen ausgewählt ist: Perylen und dessen Derivate, Diindenoperylen und dessen Derivate, Benzopyren und dessen Derivate, Coumarin und dessen Derivate, Rhodamin und dessen Derivate, Azoverbindungen, Terrylen und dessen Derivate, Quaterrylen und dessen Derivate, Naphthalimid und dessen Derivate, Cyanin oder Cyanine, Phthalocyanin und dessen Derivate, Fluorescein und dessen Derivate, Fluoren und dessen Derivate, Pyren und dessen Derivate, Pyranin und dessen Derivate, Styryle, Xanthen und dessen Derivate, Oxazin und dessen Derivate, Anthracen und dessen Derivate, Naphthacen und dessen Derivate, Anthrachinon und dessen Derivate und Thiazin und dessen Derivate.
  6. Lichtemittierendes Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, – wobei R1, R2, R3, R4 und X jeweils H ist oder – wobei R1 Cl ist und R2, R3, R4 und X jeweils H ist oder – wobei R1 und R3 jeweils Cl und R2 und R4 und X jeweils H ist oder – wobei R1, R2, R3, R4 jeweils H und X F ist.
  7. Lichtemittierendes Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das als eine organische Leuchtdiode oder Leuchtdiode ausgebildet ist.
  8. Lichtemittierendes Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Matrixmaterial (11) und das Konvertermaterial (10) so gewählt sind, dass sie in derselben Anlage zusammen mit strahlungserzeugenden Schichten aufgedampft werden können.
  9. Verfahren zur Herstellung eines lichtemittierenden Bauelementes gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 mit den Verfahrensschritten: A) Bereitstellen einer für Strahlungsemission vorgesehenen Oberfläche, B) Aufdampfen einer Konversionsschicht (5) aus einem Hochvakuum auf die für Strahlungsemission vorgesehene Oberfläche, wobei die Konversionsschicht ein Matrixmaterial (11) und ein Konvertermaterial (10) umfasst, welche gleichzeitig auf die für die Strahlungsemission vorgesehenen Oberfläche aufgebracht werden, wobei das Matrixmaterial (11) die Strukturformel
    Figure DE102014100837A1_0013
    aufweist, – wobei R1, R2, R3, R4 und X unabhängig voneinander gewählt sein können und aus der Gruppe, die F, Cl und H umfasst, ausgewählt sind und wobei n ≥ 2 gilt.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, – wobei das Matrixmaterial (11) im Verfahrensschitt B) aus einem ersten Precursor erzeugt wird, wobei der erste Precursor [2,2]-Paracyclophan oder ein Derivat davon ist.
  11. Verfahren nach Anspruch 9, – wobei das Konvertermaterial (10) bei dem Verfahrensschritt B) sich chemisch nicht verändert.
  12. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem das Aufdampfen in derselben Anlage erfolgt, mit der auch strahlungserzeugende Schichten des Bauelementes aufgedampft werden.
  13. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem die Konversionsschicht (5) auf eine Elektrodenschicht aus einem für emittierte Strahlung transparenten Material aufgebracht wird.
  14. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem eine organische Leuchtdiode oder Leuchtdiode hergestellt wird.
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