DE102016116016A1 - Phosphor, use of a phosphor, and method of making a phosphor - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Leuchtstoff (1) mit der Formel (REaCa1-a-bCeb)3(Mg1-cAlc)2(AldSi1-d)3O12, wobei RE zumindest ein Element der seltenen Erden, 0 ≤ a ≤ 1, b > 0, a + b ≤ 1, 0 ≤ c ≤ 1, 0 ≤ d ≤ 1 und c + d > 0 ist, wobei der Leuchtstoff ein kubisches Kristallsystem mit der RaumgruppeThe invention relates to a phosphor (1) of the formula (REaCa1-a-bCeb) 3 (Mg1-cAlc) 2 (AldSi1-d) 3O12, where RE is at least one element of the rare earths, 0 ≤ a ≤ 1, b> 0 , a + b ≦ 1, 0 ≦ c ≦ 1, 0 ≦ d ≦ 1, and c + d> 0 where the phosphor is a cubic crystal system having the space group
Description
Die Erfindung betrifft einen Leuchtstoff. Ferner betrifft die Erfindung die Verwendung eines Leuchtstoffs. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Leuchtstoffs. The invention relates to a phosphor. Furthermore, the invention relates to the use of a phosphor. Furthermore, the invention relates to a method for producing a phosphor.
In optoelektronischen Bauelementen, wie beispielsweise Leuchtdioden (LEDs), werden Leuchtstoffe eingesetzt, die zur Wellenlängenkonversion eingerichtet sind. Interessant sind vor allem Rot emittierende Leuchtstoffe. Fast alle bislang existierenden Rot emittierenden Leuchtstoffe basieren auf Europium oder Mangan als Leuchtstoffzentren, beispielsweise (Sr, Ca, Ba)2 AlSiN3:Eu,(Sr, Ca) AlSiN3:Eu oder K2SiF6:Mn. Diese Leuchtstoffe weisen allerdings den Nachteil auf, dass sie eine sehr lange Abklingzeit aufweisen. Lange Abklingzeiten bedeuten, dass die Leuchtstoffe nach ihrer Anregung in einen angeregten Zustand nur sehr langsam in den Grundzustand unter Emission von roter Strahlung zurückfallen. Damit kommt es bei einer hohen Anregungsleistung zu einer schnellen Sättigung der Leuchtstoffzentren und zu Quenchingeffekten, die die Effizienz der Leuchtstoffe vermindern. Im Vergleich zu Europium- oder Mangan-dotierten Leuchtstoffen weisen Cer-dotierte Leuchtstoffe vergleichsweise kurze Abklingzeiten auf. Daraus resultiert eine deutlich langsamere Sättigung der Leuchtstoffzentren und eine deutlich höhere Effizienz von Cer-dotierten Leuchtstoffen bei hoher Anregungsleistung. Dies ist insbesondere für Anwendungen im High Power-Bereich, also bei Anwendungen mit einer Leistungsdichte ab 1 Watt pro Quadratmillimeter interessant. Allerdings gibt es bislang nur sehr wenige Cer-dotierte Rot emittierende Leuchtstoffe.In optoelectronic components, such as light emitting diodes (LEDs), phosphors are used, which are set up for wavelength conversion. Particularly interesting are red emitting phosphors. Almost all hitherto existing red emitting phosphors are based on europium or manganese as phosphor centers, for example (Sr, Ca, Ba) 2 AlSiN 3 : Eu, (Sr, Ca) AlSiN 3 : Eu or K 2 SiF 6 : Mn. However, these phosphors have the disadvantage that they have a very long cooldown. Long cooldowns mean that after their excitation into an excited state, the phosphors only slowly return to the ground state with the emission of red radiation. This results in a high excitation power to a rapid saturation of the phosphor centers and quenching effects that reduce the efficiency of the phosphors. In comparison to europium- or manganese-doped phosphors, cerium-doped phosphors have comparatively short cooldowns. This results in a significantly slower saturation of the phosphor centers and a significantly higher efficiency of cerium-doped phosphors with high excitation power. This is particularly interesting for applications in the high-power range, ie for applications with a power density from 1 watt per square millimeter. However, there are only very few cerium-doped red-emitting phosphors so far.
Nach Kenntnis der Erfinder sind nur wenige Cer-dotierte rote Festkörperleuchtstoffe in der Literatur bekannt. Bekannt ist ein Leuchtstoff der Formel Lu2CaMg2(Si,Ge)3O12:Ce, der Licht bei einem Emissionsmaximum von 605 nm emittiert (
Eine Aufgabe der Erfindung ist es, einen Leuchtstoff bereitzustellen, der eine effiziente Emission aufweist und mit dem sich hohe CRI-Werte in einer Konversionslösung erzielen lassen. Eine weitere Aufgabe besteht darin, ein einfaches Verfahren zur Herstellung eines Leuchtstoffs und deren Verwendung zur Wellenlängenkonversion anzugeben.An object of the invention is to provide a phosphor which has an efficient emission and with which high CRI values can be achieved in a conversion solution. Another object is to provide a simple method for producing a phosphor and its use for wavelength conversion.
Diese Aufgaben werden durch einen Leuchtstoff mit den Merkmalen des Anspruchs 1, durch ein Verfahren zur Herstellung eines Leuchtstoffs mit den Merkmalen des Anspruchs 15 sowie durch die Verwendungsansprüche 13 und 14 gelöst. Vorteilhafte Ausführungen sowie Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.These objects are achieved by a phosphor having the features of
In zumindest einer Ausführungsform weist der Leuchtstoff die Formel (REaCa1-a-bCeb)3(Mg1-cAlc)2(AldSi1-d)3O12 auf. Dabei ist RE zumindest ein Element der seltenen Erden, 0 ≤ a ≤ 1, b > 0, a + b ≤ 1, 0 ≤ c ≤ 1, 0 ≤ d ≤ 1 und c + d > 0. Der Leuchtstoff weist ein kubisches Kristallsystem mit der Raumgruppe
Leuchtstoff bezeichnet hier und im Folgenden einen Wellenlängenkonversionsstoff, also ein Material, das zur Absorption und Emission von elektromagnetischer Strahlung eingerichtet ist. Der Leuchtstoff absorbiert insbesondere Strahlung, die ein kleineres Wellenlängenmaximum als das Emissionsmaximum aufweist und emittiert Strahlung mit einem in Richtung Rot verschobenen Emissionsmaximum.Phosphor here and hereafter designates a wavelength conversion substance, that is to say a material which is set up for the absorption and emission of electromagnetic radiation. In particular, the phosphor absorbs radiation having a smaller wavelength maximum than the emission maximum and emits radiation with an emission maximum shifted in the red direction.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform emittiert der Leuchtstoff Strahlung aus dem roten Spektralbereich des elektromagnetischen Spektrums. Alternativ oder zusätzlich kann RE Yttrium (Y), Lutetium (Lu), Gadolinium (Gd) und/oder Terbium (Tb sein, wobei gilt: 0 < a < 1, a + b < 1, 0 < c < 1, 0 < d < 1 und c + d > 0. Strahlung aus dem roten Spektralbereich meint hier insbesondere eine Strahlung mit einer Dominanzwellenlänge von größer als 575 nm.In accordance with at least one embodiment, the phosphor emits radiation from the red spectral range of the electromagnetic spectrum. Alternatively or additionally, RE can be yttrium (Y), lutetium (Lu), gadolinium (Gd) and / or terbium (Tb, where 0 <a <1, a + b <1, 0 <c <1, 0 < d <1 and c + d> 0. In this case, radiation from the red spectral range means radiation with a dominant wavelength of greater than 575 nm.
Die Erfinder haben erkannt, dass durch einen Leuchtstoff mit der Formel (REaCa1-a-bCeb)3(Mg1-cAlc)2(AldSi1-d)3O12 ein Rot emittierender Wellenkonversionsstoff bereitgestellt werden kann, der ein kubisches Kristallgitter mit der Raumgruppe
Es ist möglich, dass der Leuchtstoff weitere Elemente etwa in Form von Verunreinigungen aufweist, wobei diese Verunreinigungen zusammengenommen bevorzugt höchstens einen Gewichtsanteil in dem Leuchtstoff von höchstens 0,1 ‰ oder 10 ppm aufweisen. It is possible that the phosphor has other elements, for example in the form of impurities, these impurities taken together preferably having at most one part by weight in the phosphor of at most 0.1 ‰ or 10 ppm.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist RE zumindest ein Element der seltenen Erden. Vorzugsweise umfasst RE zwei oder mehr als zwei seltene Erden. Vorzugsweise ist RE Yttrium, Lutetium, Gadolinium und/oder Terbium. Besonders bevorzugt ist RE Y und/oder Lu.According to at least one embodiment, RE is at least one element of the rare earths. Preferably, RE comprises two or more than two rare earths. Preferably, RE is yttrium, lutetium, gadolinium and / or terbium. Particularly preferred is RE Y and / or Lu.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform gilt 0 ≤ a ≤ 1. a bezeichnet den Anteil an RE zu dem die Gitterplätze des Kalziums durch RE ersetzt sind. Bevorzugt ist a größer als 0 und kleiner als 1, insbesondere zwischen größer als 0.33 und kleiner 1, beispielsweise 0.64 oder 0.6667. In accordance with at least one embodiment, 0 ≤ a ≤ 1. a denotes the proportion of RE to which the lattice sites of the calcium have been replaced by RE. Preferably, a is greater than 0 and less than 1, in particular between greater than 0.33 and less than 1, for example 0.64 or 0.6667.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Leuchtstoff Cer auf. Der Anteil an Cer zu dem die Gitterplätze des Kalziums ersetzt sind, ist mit b symbolisiert. b ist größer als 0. Mit anderen Worten ist der hier beschriebene Leuchtstoff zwingend Cer-dotiert oder weist Cer auf. Vorzugsweise ist b zwischen 0,001 und 0,3, zum Beispiel 0,05. According to at least one embodiment, the phosphor has cerium. The proportion of cerium to which the lattice sites of calcium are replaced is symbolized by b. b is greater than 0. In other words, the phosphor described here is necessarily cerium-doped or has cerium. Preferably, b is between 0.001 and 0.3, for example 0.05.
Cer wirkt hier als Aktivator oder Dotierstoff. Alternativ oder zusätzlich kann RE auch als Aktivator oder Dotierstoff wirken. Der Aktivator kann sich dabei in das Kristallgitter einbauen. Bei Substitution von zweiwertigen Elementen durch dreiwertige Elemente beispielsweise Cer3+ ist die Ladungsneutralität nicht gegeben. Daher ist in der Regel eine Ladungskompensation nötig. Die Ladungskompensation kann insbesondere durch das Verhältnis der anderen Elemente erfolgen. Vorzugsweise liegt Cer mit der Oxidationsstufe +3 vor.Cer acts here as an activator or dopant. Alternatively or additionally, RE can also act as activator or dopant. The activator can install itself in the crystal lattice. In substitution of divalent elements by trivalent elements, for example, cerium 3+ charge neutrality is not given. Therefore, a charge compensation is usually necessary. The charge compensation can be done in particular by the ratio of the other elements. Preferably, cerium is present in the oxidation state +3.
Durch die Dotierung des Leuchtstoffs mit Cer weist dieser eine kurze Abklingzeit auf. Damit ist es möglich, diesen Leuchtstoff mit einer Strahlungsquelle anzuregen, ohne dass es zu einer schnellen Sättigung der Leuchtstoffzentren und den damit verbundenen Quenching-Verlusten kommt. Mit dem Leuchtstoff lassen sich daher hohe Leuchtdichten erzielen. Beispielsweise sind die Abklingzeiten von Mangan-dotierten Leuchtstoffen oder Europium-dotierten Leuchtstoffen im Vergleich hierzu um bis zu sechs Größenordnungen langsamer.By doping the phosphor with cerium, it has a short cooldown. Thus, it is possible to excite this phosphor with a radiation source, without causing rapid saturation of the phosphor centers and the associated quenching losses. With the phosphor can therefore achieve high luminance. For example, the decay times of manganese-doped phosphors or europium-doped phosphors are by comparison up to six orders of magnitude slower.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Leuchtstoff Kalzium auf. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn die Summe der Anteile an RE und Cer kleiner als 1 ist. In accordance with at least one embodiment, the phosphor comprises calcium. This is especially the case when the sum of the proportions of RE and cerium is less than 1.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Leuchtstoff Magnesium auf. Vorzugsweise sind MgO6-Oktaeder in dem Leuchtstoff vorhanden. Die Gitterplätze des Magnesiums können teilweise durch Aluminium ersetzt sein. Insbesondere ist der Anteil an Aluminium an den Gitterplätzen des Magnesiums, hier als c bezeichnet, ≥ 0 und ≤ 1. Vorzugsweise weist c einen Wert zwischen 0 und 1 auf. Mit anderen Worten können die Gitterplätze des Magnesiums zumindest teilweise durch Aluminium ersetzt sein.According to at least one embodiment, the phosphor has magnesium. Preferably, MgO 6 octahedra are present in the phosphor. The lattice sites of magnesium may be partially replaced by aluminum. In particular, the proportion of aluminum at the lattice sites of magnesium, denoted here as c, is ≥ 0 and ≤ 1. Preferably, c has a value between 0 and 1. In other words, the lattice sites of magnesium may be at least partially replaced by aluminum.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Leuchtstoff SiO4-Tetraeder auf. Vorzugsweise sind die Silizium-Gitterplätze zumindest teilweise durch Aluminium ersetzt. Der Anteil an Aluminium an den Silizium-Gitterplätzen wird hier mit einem d bezeichnet und ist vorzugsweise ≥ 0 und ≤ 1. Insbesondere weist d einen Wert von größer als 0 und kleiner als 1 auf. Mit anderen Worten können die Gitterplätze des Siliziums zumindest teilweise durch Aluminium ersetzt sein.In accordance with at least one embodiment, the phosphor has SiO 4 tetrahedra. Preferably, the silicon lattice sites are at least partially replaced by aluminum. The proportion of aluminum at the silicon lattice sites is here designated by a d and is preferably ≥ 0 and ≦ 1. In particular, d has a value of greater than 0 and less than 1. In other words, the lattice sites of the silicon may be at least partially replaced by aluminum.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Leuchtstoff MgO6-Oktaeder und SiO4-Tetraeder auf, wobei zumindest entweder die Gitterplätze des Magnesiums oder die Gitterplätze des Siliziums teilweise durch Aluminium ersetzt sind oder auch beide. Die (Al,Mg)O6-Oktaeder und (Si,Al)O4-Tetraeder sind über Ihre Ecken zu einem Gerüst aus alternierenden Tetraedern und Oktaedern verbunden. Die Seltenerd- und Kalziumatome befinden sich in Kuboktaedern, die von diesem Gerüst aufgespannt werden.In accordance with at least one embodiment, the phosphor comprises MgO 6 octahedra and SiO 4 tetrahedra, wherein at least either the lattice sites of the magnesium or the lattice sites of the silicon are partially replaced by aluminum or both. The (Al, Mg) O 6 octahedra and (Si, Al) O 4 tetrahedra are linked by their vertices to form a framework of alternating tetrahedra and octahedra. The rare earth and calcium atoms are located in cuboctahedron spanned by this framework.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Leuchtstoff ein kubisches Kristallsystem auf. Das kubische Kristallsystem weist alle Raumgruppen auf, die in vier unterschiedlichen Richtungen jeweils eine dreizählige Dreh- oder Drehinversionsachse besitzen. Vorzugsweise weist der Leuchtstoff die Raumgruppe
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Leuchtstoff die folgende Summenformel auf: (Y0,33Lu0,31Ca0,33Ce0,02)3(Mg0,75 Al0,25)2(Al0,16666 Si0,8333)3O12 oder (YLu0.94CaCe0,06)(Mg1,5Al0,5)(Al0,5Si2,5)O12. In accordance with at least one embodiment, the phosphor has the following empirical formula: (Y 0.33 Lu 0.31 Ca 0.33 Ce 0.02 ) 3 (Mg 0.75 Al 0.25 ) 2 (Al 0.166666 Si 0, 8333 ) 3 O 12 or (YLu 0.94 CaCe 0.06 ) (Mg 1.5 Al 0.5 ) (Al 0.5 Si 2.5 ) O 12.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist 0,3 < a < 1, 0 < b < 0.1, 0 < c < 0.5 und 0 < d < 0.333.In accordance with at least one embodiment, 0.3 <a <1, 0 <b <0.1, 0 <c <0.5 and 0 <d <0.333.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist a = 0,64, b = 0,02, c = 0,25 und d = 0,1667. In at least one embodiment, a = 0.64, b = 0.02, c = 0.25 and d = 0.1667.
Die Parameter a, b, c und/oder d können jeweils eine Toleranz von 10%, 5%, 3% oder 1% von den oben beschriebenen Werten haben.The parameters a, b, c and / or d can each have a tolerance of 10%, 5%, 3% or 1% of the values described above.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Gitterkonstante a des kubischen Kristallsystems des Leuchtstoffs zwischen 11,8 Angström und 12,3 Angström, vorzugsweise zwischen 11,9 Angström und 12,1 Angström.In accordance with at least one embodiment, the lattice constant a of the cubic crystal system of the phosphor is between 11.8 angstroms and 12.3 angstroms, preferably between 11.9 angstroms and 12.1 angstroms.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist c = 0. Es resultiert die Strukturformel (REaCa1-a-bCeb)3Mg2(AldSi1-d)3O12. Für RE, a, b und d gelten die obigen Ausführungen.According to at least one embodiment, c = 0. The result is the structural formula (RE a Ca 1-ab Ce b ) 3 Mg 2 (Al d Si 1-d ) 3 O 12 . For RE, a, b and d the above statements apply.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist d = 0. Es resultiert die Strukturformel(REaCa1-a-bCeb)3(Mg1-cAlc)2Si3O12. Für RE, a, b und c gelten die obigen Ausführungen.According to at least one embodiment, d = 0. The result is the structural formula (RE a Ca 1-from Ce b ) 3 (Mg 1-c Al c ) 2 Si 3 O 12 . For RE, a, b and c the above statements apply.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist a = 0. Es resultiert die Strukturformel (Ca1-bCeb)3(Mg1-cAlc)2(AldSi1-d)3-O12. Für RE, b, c und d gelten die obigen Ausführungen.In accordance with at least one embodiment, a = 0. The structural formula (Ca 1 -b Ce b ) 3 (Mg 1 -c Al c ) 2 (Al d Si 1-d ) 3 -O 12 results. For RE, b, c and d the above statements apply.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist a = 0 und d = 0. Es resultiert die Strukturformel (Ca1-bCeb)3(Mg1-cAlc)2Si3O12. Für RE, b und c gelten die obigen Ausführungen.In accordance with at least one embodiment, a = 0 and d = 0. The structural formula (Ca 1 -b Ce b ) 3 (Mg 1 -c Al c ) 2 Si 3 O 12 results. For RE, b and c the above statements apply.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Leuchtstoff eine Dominanzwellenlänge von größer als 575 nm, bevorzugt größer als 580 nm auf. Die Dominanzwellenlänge ist die monochromatische Wellenlänge, die denselben Farbeindruck erzeugt wie eine polychromatische Lichtquelle. Die Dominanzwellenlänge ist also die Wellenlänge, die vom menschlichen Auge wahrgenommen wird. Im Allgemeinen weicht die Dominanzwellenlänge von einer Wellenlänge maximaler Intensität ab. Insbesondere liegt die Dominanzwellenlänge im roten Spektralbereich bei kleineren Wellenlängen als die Wellenlänge maximaler Intensität. In accordance with at least one embodiment, the phosphor has a dominant wavelength of greater than 575 nm, preferably greater than 580 nm. The dominant wavelength is the monochromatic wavelength which produces the same color impression as a polychromatic light source. The dominant wavelength is the wavelength perceived by the human eye. In general, the dominant wavelength deviates from a maximum intensity wavelength. In particular, the dominant wavelength in the red spectral range is at smaller wavelengths than the wavelength of maximum intensity.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Schwerpunktswellenlänge größer als 600 nm mit einer Halbwertsbreite von größer als 125 nm. Die Schwerpunktellenlänge, auch als zentroide Wellenlänge bezeichnet, bezeichnet die Wellenlänge, bei der ein gegebenes Spektrum integral in zwei gleich große Teile unterteilt wird.According to at least one embodiment, the centroid wavelength is greater than 600 nm with a half-width greater than 125 nm. The centroid wavelength, also referred to as centroid wavelength, denotes the wavelength at which a given spectrum is integrally divided into two equal parts.
Der hier beschriebene Leuchtstoff zeigt vorzugsweise ein breites Emissionsband mit einer Dominanzwellenlänge von größer als 575 nm und einer Schwerpunktswellenlänge von größer als 600 nm mit einer Halbwertsbreite von größer als 125 nm. The phosphor described herein preferably exhibits a broad emission band with a dominant wavelength greater than 575 nm and a centroid wavelength greater than 600 nm with a half-width greater than 125 nm.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform absorbiert der Leuchtstoff Strahlung aus dem blauen bis grünen Wellenlängenbereich. Der Leuchtstoff weist im Bereich von 400 nm und 550 nm ein Absorptionsmaximum zwischen 450 und 470 nm auf. Der Leuchtstoff kann breite Absorptionsbanden um die Wellenlängen der Absorptionsmaxima bei 310 nm und 460 nm aufweisen. Insbesondere ist das breite Absorptionsverhalten bei rund 460 nm optimal für die Anwendung dieses Leuchtstoffs in Konversions-LEDs. In accordance with at least one embodiment, the phosphor absorbs radiation from the blue to green wavelength range. The phosphor has an absorption maximum between 450 and 470 nm in the range of 400 nm and 550 nm. The phosphor can have broad absorption bands around the wavelengths of the absorption maxima at 310 nm and 460 nm. In particular, the broad absorption behavior at around 460 nm is optimal for the application of this phosphor in conversion LEDs.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Leuchtstoff eine Stokes-Verschiebung von mindestens 150 nm auf. Dies ist im Vergleich zu den bisher bekannten Cer-aktivierten Leuchtstoffen mit einer Granatstruktur überraschend. Die Stokes-Verschiebung wurde durch die Differenz zwischen dem Absorptionsmaximum (Reflektionsminimum im blauen Spektralbereich) und der Schwerpunktswellenlänge bestimmt. Die Stokes-Verschiebung ist hier definiert als die Wellenlängendifferenz zwischen der Wellenlänge des Absorptionsmaximums und des Maximums des höchsten Emissionspeaks. Bei breiten Emissionen, die aus mehreren Einzelemissionsbanden bestehen, werden die spektralen Intensitätsverteilungen der einzelnen Banden über Gaussfunktionen beschrieben. Für die Berechnung der Stokes-Verschiebung wird hier die so ermittelte Einzelemissionsbande mit der höchsten Energie (was der kleinsten Emissionswellenlänge entspricht) herangezogen. Die Bestimmung erfolgt zum Teil unterschiedlich in der Literatur, beispielsweise basierend auf Wellenlängenverteilungsfunktionen oder Energieverteilungsfunktionen, die zu jeweils unterschiedlichen Werten führt. Die hier angewandte Methode wurde gewählt, weil sie einfacher nachvollziehbar ist.In accordance with at least one embodiment, the phosphor has a Stokes shift of at least 150 nm. This is surprising in comparison to the previously known cerium-activated phosphors with a garnet structure. The Stokes shift was determined by the difference between the absorption maximum (reflection minimum in the blue spectral range) and the centroid wavelength. The Stokes shift is defined here as the wavelength difference between the wavelength of the absorption maximum and the peak of the highest emission peak. For broad emissions consisting of several single emission bands, the spectral intensity distributions of the individual bands are described by Gaussian functions. For the calculation of the Stokes shift, the single energy emission band with the highest energy (which corresponds to the smallest emission wavelength) determined in this way is used here. The determination takes place partly differently in the literature, for example based on wavelength distribution functions or energy distribution functions, which leads to respectively different values. The method used here was chosen because it is easier to understand.
Die Erfindung betrifft ferner die Verwendung des Leuchtstoffs als Wellenlängenkonversionsstoff. Vorzugsweise wird der hier beschriebene Leuchtstoff als Wellenlängenkonversionsstoff in einem optoelektronischen Bauelement verwendet. The invention further relates to the use of the phosphor as a wavelength conversion substance. The phosphor described here is preferably used as the wavelength conversion substance in an optoelectronic component.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das optoelektronische Bauelement eine Leuchtdiode. Unter Bauelement müssen hier nicht nur fertige Bauelemente verstanden werden, wie beispielsweise Leuchtdioden oder Laserdioden, sondern auch Substrate und Halbleiterschichten, so dass beispielsweise bereits ein Verbund einer Kupferschicht und einer Halbleiterschicht ein Bauelement darstellen und einen Bestandteil eines übergeordneten zweiten Bauelements bilden kann, in dem beispielsweise zusätzlich elektrische Anschlüsse vorhanden sind. Vorzugsweise ist das optoelektronische Bauelement ein Dünnfilm-Halbleiterchip, insbesondere ein Dünnfilm-Leuchtdiodenchip. In accordance with at least one embodiment, the optoelectronic component is a light-emitting diode. Under construction element here not only finished components are understood, such as light emitting diodes or laser diodes, but also substrates and semiconductor layers, so that, for example, already represent a composite of a copper layer and a semiconductor layer, a component and form part of a parent second component, in which, for example additional electrical connections are available. The optoelectronic component is preferably a thin-film semiconductor chip, in particular a thin-film light-emitting diode chip.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das optoelektronische Bauelement eine Schichtenfolge. Die Schichtenfolge kann eine Abfolge einer p-dotierten und einer n-dotierten Halbleiterschicht sein, wobei die Schichten übereinander angeordnet sind. Die Schichtenfolge kann elektromagnetische Strahlung emittieren, vorzugsweise elektromagnetische Strahlung aus dem blauen bis grünen Spektralbereich, die von dem Leuchtstoff absorbiert werden kann.In accordance with at least one embodiment, the optoelectronic component comprises a layer sequence. The layer sequence may be a sequence of a p-doped and an n-doped semiconductor layer, wherein the layers are arranged one above the other. The layer sequence can emit electromagnetic radiation, preferably electromagnetic radiation from the blue to green spectral range, which can be absorbed by the phosphor.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform kann die Schichtenfolge eine Halbleiterschichtenfolge eines Halbleiterchips sein. Die Halbleiterschichtenfolge des Halbleiterchips 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.According to at least one embodiment, the layer sequence may be a semiconductor layer sequence of a semiconductor chip. The semiconductor layer sequence of the semiconductor chip is preferably based on a III-V compound semiconductor material. The semiconductor material is preferably a nitride compound semiconductor material such as Al n In 1 nm Ga m N or else a phosphide compound semiconductor material such as Al n In 1 nm Ga m P, where 0 ≦ n ≦ 1, 0 ≦ m ≤ 1 and n + m ≤ 1. Likewise, the semiconductor material may be Al x Ga 1-x As with 0 ≤ x ≤ 1. In this case, the semiconductor layer sequence may comprise dopants and additional constituents. For the sake of simplicity, however, only the essential constituents of the crystal lattice of the semiconductor layer sequence, that is to say Al, As, Ga, In, N or P, are indicated, even if these may be partially replaced and / or supplemented by small amounts of further substances.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird im Betrieb des optoelektronischen Bauelements elektromagnetische Strahlung von der Halbleiterschichtenfolge emittiert und trifft auf den Leuchtstoff, der im Strahlengang der von dem Halbleiterchip emittierten Strahlung angeordnet ist. Die Strahlung wird von dem Leuchtstoff absorbiert, der wiederum Strahlung meist mit längerer Wellenlänge emittiert. Vorzugsweise emittiert der Leuchtstoff Strahlung aus dem roten Wellenlängenbereich und der Halbleiterchip Strahlung aus dem blauen Wellenlängenbereich, so dass bei Teilkonversion Mischstrahlung und bei Vollkonversion die von dem Leuchtstoff emittierte Strahlung aus dem Bauelement austritt. According to at least one embodiment, during operation of the optoelectronic component, electromagnetic radiation is emitted by the semiconductor layer sequence and impinges on the phosphor which is arranged in the beam path of the radiation emitted by the semiconductor chip. The radiation is absorbed by the phosphor, which in turn emits radiation, usually with a longer wavelength. Preferably, the phosphor emits radiation from the red wavelength range and the semiconductor chip radiation from the blue wavelength range, so that at partial conversion mixed radiation and at full conversion exits the radiation emitted by the phosphor radiation from the device.
Vorzugsweise kann das optoelektronische Bauelement neben dem erfindungsgemäßen Leuchtstoff einen weiteren Leuchtstoff aufweisen, beispielsweise einen Granat, ein Nitrid und/oder Orthosilikat. Preferably, the optoelectronic component may have, in addition to the phosphor according to the invention, a further phosphor, for example a garnet, a nitride and / or orthosilicate.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform kann der Leuchtstoff in einem Matrixmaterial eingebettet sein. Vorzugsweise wird der Leuchtstoff eingebettet in einem Matrixmaterial als Vergussschicht oder Folie ausgeformt. Der Verguss kann beispielsweise stoffschlüssig oder eine Vergussmasse mit einer Schichtenfolge mit einem aktiven Bereich verbunden sein. Die Vergussmasse kann beispielsweise ein Polymer-Material sein. Insbesondere kann es sich um Epoxid oder Silikon handeln, wie ein methylsubstituiertes Silikon, beispielsweise Polydimethylsiloxan und/oder Polymethylvinylsiloxan, ein cyklohexylsubstituiertes Silikon, z. B. Polydicyklohexylsiloxan oder eine Kombination davon.In accordance with at least one embodiment, the phosphor can be embedded in a matrix material. Preferably, the phosphor is embedded embedded in a matrix material as a potting layer or film. The potting may for example be cohesively or a potting compound with a layer sequence connected to an active area. The potting compound may be, for example, a polymer material. In particular, it may be epoxy or silicone, such as a methyl-substituted silicone, for example polydimethylsiloxane and / or polymethylvinylsiloxane, a cyclohexyl-substituted silicone, eg. Polydicylohexylsiloxane or a combination thereof.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform kann das Matrixmaterial weitere Füllstoffe, beispielsweise Metalloxide, wie etwa Titandioxid, Siliziumdioxid, Zirkoniumdioxid, Zinkoxid, Aluminiumoxid und/oder Glaspartikel aufweisen. Vorzugsweise sind diese Füllstoffe als Streupartikel ausgeformt.In accordance with at least one embodiment, the matrix material may comprise further fillers, for example metal oxides, such as titanium dioxide, silicon dioxide, zirconium dioxide, zinc oxide, aluminum oxide and / or glass particles. Preferably, these fillers are formed as scattering particles.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform kann der Leuchtstoff als Partikel oder Keramikplättchen ausgeformt sein und zumindest teilweise die von dem Halbleiterchip emittierte Strahlung streuen. Der Leuchtstoff kann gleichzeitig als ein Leuchtzentrum, das Strahlung der von dem Halbleiterchip emittierten Strahlung teilweise absorbiert und eine weitere Strahlung emittiert und als Streuzentrum für die von dem Halbleiterchip emittierte Strahlung ausgebildet sein. Die Streueigenschaften des Leuchtstoffs können zu einer verbesserten Strahlungsauskopplung aus dem Bauelement führen. Die Streuwirkung kann beispielsweise auch zu einer Steigerung der Absorptionswahrscheinlichkeit von der von dem Halbleiterchip emittierten Strahlung in dem Leuchtstoff führen, wodurch eine geringere Schichtdicke der Schicht, die den Leuchtstoff enthält, erforderlich sein kann.In accordance with at least one embodiment, the phosphor can be formed as a particle or ceramic plate and at least partially scatter the radiation emitted by the semiconductor chip. The phosphor can simultaneously be used as a luminous center, which partially absorbs the radiation of the radiation emitted by the semiconductor chip and emits a further radiation and is designed as a scattering center for the radiation emitted by the semiconductor chip. The scattering properties of the phosphor can lead to improved radiation extraction from the device. The scattering effect can, for example, also lead to an increase in the absorption probability of the radiation emitted by the semiconductor chip in the phosphor, which may necessitate a smaller layer thickness of the layer containing the phosphor.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das optoelektronische Bauelement eine Verkapselung auf. Die Verkapselung kann insbesondere eine Dünnschichtverkapselung sein.In accordance with at least one embodiment, the optoelectronic component has an encapsulation. The encapsulation may in particular be a thin-layer encapsulation.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Leuchtstoff in direktem Kontakt mit der Strahlungsquelle, also dem Halbleiterchip. So kann die Konversion der von dem Halbleiterchip emittierten Strahlung in die von dem Leuchtstoff emittierte Strahlung zumindest teilweise nahe der Strahlungsquelle beispielsweise in einem Abstand Leuchtstoff und Strahlungsquelle von kleiner oder gleich 200 µm, bevorzugt kleiner oder gleich 50 µm erfolgen (so genannte Chip Level Conversion). In accordance with at least one embodiment, the phosphor is in direct contact with the radiation source, ie the semiconductor chip. Thus, the conversion of the radiation emitted by the semiconductor chip into the radiation emitted by the phosphor at least partially close to the radiation source, for example at a distance phosphor and radiation source of less than or equal 200 microns, preferably less than or equal to 50 microns done (so-called chip level conversion) ,
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Leuchtstoff von der Strahlungsquelle beabstandet. So kann zumindest teilweise die Konversion der von dem Halbleiterchip emittierten Strahlung in die von dem Leuchtstoff konvertierte Strahlung in einem großen Abstand zur Strahlungsquelle erfolgen, beispielsweise in einem Abstand zwischen Leuchtstoff und Strahlungsquelle von größer oder gleich 200 µm, bevorzugt größer oder gleich 750 µm, besonders bevorzugt größer oder gleich 900 µm (so genannte Remote Phosphor Conversion).In accordance with at least one embodiment, the phosphor is spaced from the radiation source. Thus, at least in part, the conversion of the radiation emitted by the semiconductor chip into the radiation converted by the phosphor can take place at a large distance from the radiation source, for example at a distance between phosphor and radiation source of greater than or equal to 200 μm, preferably greater than or equal to 750 μm preferably greater than or equal to 900 microns (so-called Remote Phosphor Conversion).
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird der Leuchtstoff in High Power weißen LEDs eingesetzt. Für Weißlichtquellen oder Vollkonversion in High Power-Anwendungen ist es notwendig, dass die eingesetzten Leuchtstoffe bei hohen Leistungsdichten der anregenden blauen bis grünen Primärstrahlung hohe Leuchtdichten an konvertierter Strahlung erzeugen. Europium- oder Mangan-dotierte Leuchtstoffe sind dazu nicht in der Lage. Die Erfinder haben nun erkannt, dass durch die Verwendung der hier beschriebenen Cer-dotierten Leuchtstoffe bei hohen Leistungsdichten der anregenden Primärstrahlung hohe Leuchtdichten an konvertierter Strahlung generiert werden können.In accordance with at least one embodiment, the phosphor is used in high power white LEDs. For white light sources or full conversion in high power applications, it is necessary that the phosphors used produce high luminance densities of converted radiation at high power densities of the stimulating blue to green primary radiation. Europium- or manganese-doped phosphors are not capable of this. The inventors have now recognized that high luminance densities of converted radiation can be generated by the use of the cerium-doped phosphors described here at high power densities of the exciting primary radiation.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird der Leuchtstoff in einer Laser Active Remote Phosphor Anwendung (LARP) verwendet. LARP ist dem Fachmann hinreichend bekannt und wird daher an dieser Stelle nicht näher erläutert.In accordance with at least one embodiment, the phosphor is used in a laser active remote phosphor application (LARP). LARP is well known to those skilled in the art and therefore will not be discussed further here.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Leuchtstoff eine Stokes-Verschiebung von mindestens 150 nm auf.In accordance with at least one embodiment, the phosphor has a Stokes shift of at least 150 nm.
Im Vergleich zu gängigen Leuchtstoffen wie dem YAG:Ce – Leuchtstoff weist dieser hier beschriebene Leuchtstoff eine hohe Rot-Verschiebung und eine hohe Stokes-Verschiebung auf. Die Rot-Verschiebung stellt einen signifikanten Vorteil gegenüber z. B. gelbgrün emittierenden Granat-Leuchtstoffen wie Y3Al5O12 oder Lu3Al5O12 dar. Die hohe Stokes-Verschiebung ist gegenüber sämtlichen Granat-Leuchtstoffen mit hoher Rot-Verschiebung von Vorteil, wie beispielsweise CaLu2Mg2Si3O12. Der erfindungsgemäße Leuchtstoff ist der einzige den Erfindern bekannte Leuchtstoff, der beide diese Vorteile in sich vereint. Die Erfinder haben erkannt, dass sich durch die Verwendung des hier beschriebenen Cer-dotierten Leuchtstoffs als Wellenlängenkonversionsstoff ein effizienteres Bauelement verglichen mit anderen Rot emittierenden mit ähnlicher Stokes-Verschiebung Leuchtstoffen, wie Europium- oder Mangan-dotierten Leuchtstoffen, bereitgestellt werden kann, da Quenchingprobleme und andere Probleme, die aus der optischen Sättigung resultieren, vermindert werden.In comparison to common phosphors such as the YAG: Ce phosphor, this phosphor described here has a high red shift and a high Stokes shift. The red shift represents a significant advantage over z. Example, yellow-green emitting garnet phosphors such as Y 3 Al 5 O 12 or Lu 3 Al 5 O 12 is. The high Stokes shift is compared to all garnet phosphors with high red shift advantage, such as CaLu 2 Mg 2 Si 3 O 12 . The phosphor according to the invention is the only phosphor known to the inventors, which combines both of these advantages. The inventors have recognized that by using the cerium doped phosphor described herein as the wavelength conversion material, a more efficient device can be provided compared to other red emitting devices having similar Stokes shift phosphors, such as europium or manganese doped phosphors, because of quenching problems and other problems resulting from optical saturation are reduced.
Der hier beschriebene Leuchtstoff weist im Vergleich beispielsweise zu dem Vergleichsbeispiel CaLu2Mg2Si3O12 einige Vorteile auf. Im Vergleich zu dem Vergleichsbeispiel zeigt der hier beschriebene Leuchtstoff eine hohe Stokes-Verschiebung. Der Hauptunterschied zu dem Vergleichsbeispiel ist der Zusatz von Aluminium. Die Erfinder haben erkannt, dass durch das Einbringen von Aluminium in die Gitterplätze des Siliziums beziehungsweise Magnesiums eine Erhöhung der Stokes-Verschiebung erfolgen kann. Vorbekannte Aluminium enthaltende Granat-Leuchtstoffe weisen eine geringere Stokes-Verschiebung auf. Der hier beschriebene Leuchtstoff zeigt eine hohe Stokes-Verschiebung von mehr als 150 nm. Zum anderen zeigt der hier beschriebene Leuchtstoff eine hohe Absorptionseffizienz bei 460 nm verglichen mit dem Vergleichsbeispiel, der ungefähr bei 475 nm ein Absorptionsmaximum aufweist. In optoelektronischen Bauelementen, die vorzugsweise im blauen Spektralbereich, besonders im Wellenlängenbereich von 440 bis 460 nm emittieren, kann durch die Verwendung des hier beschriebenen Leuchtstoffs eine optimale Anregung dieses Leuchtstoffs erfolgen. Im Vergleich zu dem Vergleichsbeispiel wird daher bei dem hier beschriebenen Leuchtstoff mehr von dem Halbleiterchip emittierten Strahlung absorbiert. Dies resultiert in einer höheren Effizienz im Vergleich zu dem Vergleichsbeispiel.The phosphor described here has some advantages compared to, for example, the comparative example CaLu 2 Mg 2 Si 3 O 12 . Compared to the comparative example, the phosphor described here exhibits a high Stokes shift. The main difference to the comparative example is the addition of aluminum. The inventors have recognized that the introduction of aluminum into the lattice sites of silicon or magnesium can increase the Stokes shift. Previously known aluminum-containing garnet phosphors have a lower Stokes shift. The phosphor described herein exhibits a high Stokes shift of greater than 150 nm. Second, the phosphor described herein exhibits high absorption efficiency at 460 nm compared to the comparative example, which has an absorption maximum at about 475 nm. In optoelectronic components which emit preferably in the blue spectral range, especially in the wavelength range from 440 to 460 nm, an optimal excitation of this phosphor can be achieved by the use of the phosphor described here. Compared to the comparative example, therefore, more of the radiation emitted by the semiconductor chip is absorbed by the phosphor described here. This results in a higher efficiency compared to the comparative example.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines Leuchtstoffs. Vorzugsweise wird mit dem hier beschriebenen Verfahren der oben beschriebene Leuchtstoff hergestellt. Dabei gelten alle Ausführungen für den Leuchtstoff auch für das Verfahren und umgekehrt.The invention further relates to a method for producing a phosphor. Preferably, the method described here produces the phosphor described above. All designs for the phosphor also apply to the process and vice versa.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Verfahren zur Herstellung eines Leuchtstoffs mit der Formel (REaCa1-a-bCeb)3(Mg1-cAlc)2(AldSi1-d)3O12, wobei RE zumindest ein Element der seltenen Erden, 0 ≤ a ≤ 1, b > 0, a + b ≤ 1, 0 ≤ c ≤ 1, 0 ≤ d ≤ 1 und c + d > 0 ist, die Schritte auf:
- A) Vermengen der Ausgangsstoffe aus Vorläuferverbindungen z. B., aber nicht ausschließlich Carbonaten, Oxalaten, Oxiden, Hydroxiden oder Nitraten der in der Formel genannten Elemente,
- B) Aufheizen des unter A) erhaltenen Gemenges auf eine Temperatur von über 1200 °C,
- C) Glühen des Gemenges bei einer Temperatur von über 1200 °C unter reduzierender Atmosphäre,
- D) Abkühlen des Gemenges.
- A) mixing the starting materials from precursor compounds z. But not exclusively carbonates, oxalates, oxides, hydroxides or nitrates of the elements mentioned in the formula,
- B) heating the mixture obtained under A) to a temperature of more than 1200 ° C.,
- C) annealing the mixture at a temperature of over 1200 ° C. under a reducing atmosphere,
- D) cooling the batch.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Anteil der Ausgangsstoffe bezogen auf die Gesamtmenge des Gemenges die folgenden Zusammensetzungen auf:
RE2O3 zwischen einschließlich 46% und einschließlich 48%, Al2O3 zwischen einschließlich 7% und einschließlich 9%, SiO2 zwischen einschließlich 23% und einschließlich 25%, MgO zwischen einschließlich 8% und einschließlich 10%, CeO2 zwischen einschließlich 0,8% und einschließlich 1,8%, CaO zwischen einschließlich 8% und einschließlich 10% ist, und wobei die Gesamtmenge in der Summe 100% ist.According to at least one embodiment, the proportion of the starting materials based on the total amount of the mixture has the following compositions:
RE 2 O 3 between 46% and 48% inclusive, Al 2 O 3 between 7% and 9% inclusive, SiO 2 between 23% inclusive and 25% inclusive, MgO between 8% inclusive and 10% inclusive, CeO 2 intermediate including 0.8% and 1.8% inclusive, CaO between 8% inclusive and 10% inclusive, and the total is 100% total.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist RE2O3 eine Mischung aus Y2O3 und Lu2O3, wobei der Anteil an Y2O3 zwischen einschließlich 14% und einschließlich 16% und der Anteil an Lu2O3 zwischen einschließlich 31% und einschließlich 33% ist.According to at least one embodiment, RE 2 O 3, a mixture of Y 2 O 3 and Lu 2 O 3, wherein the proportion of Y 2 O 3 is between 14% and including 16% and the proportion of Lu 2 O 3 is between 31% and including 33%.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform erfolgt das Verfahren als Festkörperreaktion oder Sol-Gel-Verfahren. In accordance with at least one embodiment, the process is carried out as a solid-state reaction or sol-gel process.
Die Erfinder haben herausgefunden, dass durch Mischen der Ausgangssubstanzen mit den entsprechenden Anteilen der Elemente ein Leuchtstoff bereitgestellt werden kann, der Rot emittiert und eine hohe Effizienz und Emissionsstabilität aufweist. Insbesondere werden als Ausgangsstoffe Oxide wie RE2O3, CeO2, MgO, CaO, SiO2, Carbonate, wie MgCO3, Hydroxide wie Ca(OH)2 oder Nitrate wie RE(NO3)3 vermengt. Die hier beschriebenen Ausgangsstoffe sind Beispiele und sollen nicht einschränkend sein. Anschließend können die Ausgangsstoffe geglüht werden. Das Glühen kann bei einer Temperatur von größer als 1200 °C erfolgen. Vorzugsweise erfolgt das Glühen im Verfahrensschritt C bei einer Temperatur zwischen einschließlich 1200 C° bis 2000 C°. Vorzugsweise wird das Glühen bei einer Temperatur von oder über 1300 C° durchgeführt. The inventors have found that by mixing the starting substances with the corresponding portions of the elements, it is possible to provide a phosphor which emits red and has high efficiency and emission stability. In particular, oxides such as RE 2 O 3 , CeO 2 , MgO, CaO, SiO 2 , carbonates such as
Das Glühen kann unter reduzierender Atmosphäre erfolgen. Unter reduzierender Atmosphäre kann beispielsweise eine inerte oder eine reduzierende Atmosphäre verstanden werden. Eine reduzierende Atmosphäre schließt nicht aus, dass in dieser reduzierenden Atmosphäre Sauerstoff vorhanden ist. Beispielsweise kann die reduzierende Atmosphäre eine Stickstoff- oder eine Edelgasatmosphäre, wie beispielsweise eine Argon-Atmosphäre, sein.The annealing can be carried out under a reducing atmosphere. Under reducing atmosphere, for example, an inert or a reducing atmosphere can be understood. A reducing atmosphere does not exclude oxygen being present in this reducing atmosphere. For example, the reducing atmosphere may be a nitrogen or inert gas atmosphere, such as an argon atmosphere.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform kann der Verfahrensschritt C mindestens einmal durchgeführt werden. Insbesondere kann das Glühen auch ein bis fünf Mal, insbesondere ein bis drei Mal, beispielsweise zwei Mal durchgeführt werden. Mehrfaches Glühen der Ausgangssubstanzen mit oder ohne zwischengeschalteten Nachbearbeitungsprozess wie z. B. Mahlen und/oder Sieben kann die Kristallinität oder Korngrößenverteilung des Leuchtstoffs weiter verbessern. Weitere Vorteile können eine niedrigere Defektdichte verbunden mit verbesserten optischen Eigenschaften des resultierenden Leuchtstoffs und/oder eine höhere Stabilität des resultierenden Leuchtstoffs sein. In accordance with at least one embodiment, method step C may be performed at least once. In particular, the annealing can also be carried out one to five times, in particular one to three times, for example twice. Multiple annealing of the starting materials with or without intermediate post-processing such. As grinding and / or sieving can further improve the crystallinity or grain size distribution of the phosphor. Further advantages may be a lower defect density associated with improved optical properties of the resulting phosphor and / or higher stability of the resulting phosphor.
Gelegentlich können gemäß einer Ausführungsform auch kurze Temperschritte an Luft bei niedriger Temperatur beispielsweise kleiner 600 C° durchgeführt werden. Das Glühen kann in einem Tiegel beispielsweise aus Wolfram, Korund, Platin oder Graphit erfolgen. Dabei kann der Tiegel eine Auskleidung beispielsweise aus Molybdän oder eine Auskleidung aus Saphir aufweisen. Das Glühen kann in einem gasdichten Ofen unter reduzierender Atmosphäre und/oder Inertgas wie z. B. in Wasserstoff, Ammoniak, Argon, Stickstoff oder Mischungen daraus erfolgen. Die Atmosphäre kann fließend oder stationär sein. Es kann zudem von Vorteil für die Qualität des resultierenden Leuchtstoffs sein, wenn elementarer Kohlenstoff in fein verteilter Form im Ofenraum anwesend ist. Alternativ ist es möglich, Kohlenstoff direkt in die Mischung der Ausgangssubstanzen zu geben.Occasionally, according to one embodiment, short annealing steps may also be performed in air at low temperature, for example less than 600 ° C. The annealing can be carried out in a crucible, for example, tungsten, corundum, platinum or graphite. In this case, the crucible may have a lining, for example of molybdenum or a lining of sapphire. The annealing can in a gas-tight furnace under reducing atmosphere and / or inert gas such. B. in hydrogen, ammonia, argon, nitrogen or mixtures thereof. The atmosphere can be fluid or stationary. It may also be advantageous for the quality of the resulting phosphor when elemental carbon is present in finely divided form in the furnace space. Alternatively, it is possible to add carbon directly into the mixture of starting materials.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform erfolgen die hier beschriebenen Verfahrensschritte A bis D in der hier genannten Reihenfolge. In accordance with at least one embodiment, the method steps A to D described here take place in the order mentioned here.
Nach dem Glühen kann der Leuchtstoff abgekühlt werden. Anschließend kann der Leuchtstoff einer Nachbehandlung unterworfen werden. Die Isolierung des Leuchtstoffs kann durch Waschen in Lauge und/oder durch Säure erfolgen. Die Säure kann beispielsweise aus einer Gruppe ausgewählt sein, die Salzsäure, Schwefelsäure, Salpetersäure, Flusssäure, organische Säuren und Mischungen daraus umfasst. Die Lauge kann aus einer Gruppe ausgewählt werden, die Kalilauge, Natronlauge und Mischungen daraus umfasst. Derartige Waschungen können die Effizienz erhöhen, wenn ein Leuchtstoff hergestellt wird. Des Weiteren können dadurch Nebenphasen, Glasphasen oder andere Verunreinigungen entfernt werden, sowie eine Verbesserung der optischen Eigenschaften des Leuchtstoffs erreicht werden. Der Leuchtstoff kann weiteren Fraktionier- und Klassierschritten, wie beispielsweise Siebung, Flotation oder Sedimentation, unterzogen werden. After annealing, the phosphor can be cooled. Subsequently, the phosphor can be subjected to a post-treatment. The isolation of the phosphor can be carried out by washing in brine and / or by acid. The acid may be selected, for example, from a group comprising hydrochloric acid, sulfuric acid, nitric acid, hydrofluoric acid, organic acids and mixtures thereof. The liquor may be selected from a group comprising potassium hydroxide, caustic soda and mixtures thereof. Such washes can increase the efficiency when producing a phosphor. Furthermore, this can be used to remove secondary phases, glass phases or other impurities, as well as to improve the optical properties of the phosphor. The phosphor may be subjected to further fractionation and classification steps such as sieving, flotation or sedimentation.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird dem Verfahren ein Flussmittel oder Schmelzmittel hinzugesetzt. Bei dem Schmelzmittel kann es sich beispielsweise um Borsäure, Erdalkaliborate oder Fluoride, wie beispielsweise Kryolite, handeln. Die Schmelzmittel können das Kristallwachstum verbessern.In accordance with at least one embodiment, a flux or flux is added to the process. The flux may be, for example, boric acid, alkaline earth borates or fluorides such as cryolites. The fluxes can improve crystal growth.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform erfolgt die Herstellung als Festkörperreaktion. Dabei werden die Ausgangssubstanzen eingewogen und gemischt. Das Mischen kann beispielsweise mit einer Kugelmühle, einer asymmetrischen Zentrifuge oder mit einem Taumelmischer erfolgen. Das Gemenge kann in einen Tiegel, beispielsweise aus Aluminiumoxid oder Platin, überführt werden und dann bei einer Temperatur von größer 1200 C° erhitzt werden. Dabei hängt die genaue Temperatur von den Ausgangsstoffen ab. Das Erhitzen kann für mehrere Stunden unter reduzierender Atmosphäre erfolgen. Das Produkt kann optional danach gemahlen werden. Die Aufheiz- und Glühschritte können beliebig wiederholt werden, um die Leuchtstoff-Qualität zu verbessern. In accordance with at least one embodiment, the preparation takes place as a solid-state reaction. The starting substances are weighed in and mixed. The mixing can be done for example with a ball mill, an asymmetric centrifuge or with a tumble mixer. The mixture may be transferred to a crucible, for example of alumina or platinum, and then heated at a temperature greater than 1200 ° C. The exact temperature depends on the starting materials. The heating can be carried out for several hours under reducing atmosphere. The product can optionally be ground afterwards. The heating and annealing steps can be repeated as desired to improve the phosphor quality.
Alternativ kann der Leuchtstoff auch mittels Sol-Gel-Verfahren hergestellt werden. Dabei werden die entsprechenden Ausgangsstoffe eingewogen und in säurehaltiger Umgebung, beispielsweise Zitronensäure oder Salpetersäure, gelöst. Das Sol-Gel-Verfahren kann nach verschiedenen Schritten durchgeführt werden, wie es beispielsweise bei
Zur Entfernung der Nebenphasen und zur Verbesserung der Leuchtstoff-Qualität können zusätzliche Waschschritte erfolgen. Beispielsweise können mehrere Waschungen mittels HCl (1–6 mol/l) für ein bis 12 Stunden erfolgen, um Nebenphasen wie Orthosilikate oder Silikatapatite herauszulösen. Anschließend kann ein Trocknen des Leuchtstoff-Pulvers erfolgen.To remove the minor phases and to improve the phosphor quality, additional washing steps can be carried out. For example, multiple washes can be made by HCl (1-6 mol / L) for one to 12 hours to elute minor phases such as orthosilicates or silicate apatites. Subsequently, a drying of the phosphor powder can take place.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform kann der hier beschriebene Leuchtstoff wie folgt hergestellt werden. Die Ausgangsstoffe werden mit folgendem Gewichtsanteil vermischt.
Das Mischen kann mit einer asymmetrischen Zentrifuge beispielsweise für drei Mal für 30 Sekunden bei 1.600 rpm erfolgen. Anschließend kann ein Mahlen in einer Mörsermühle für 10 Minuten und ein nochmaliges Mischen in einer asymmetrischen Zentrifuge (zwei Mal für 30 Sekunden bei 1.600 rpm) erfolgen. Das Gemenge kann dann in einem Korundtiegel mit einer Deckplatte überführt werden und in einen Ofen gestellt werden. Der Ofen kann eine reduzierende Atmosphäre aus 4 Prozent Wasserstoff in Stickstoff (4%iges Formiergas, 240 l/min) aufweisen. Das Gemenge kann auf 1.350 C° aufgeheizt werden und für vier Stunden bei dieser Temperatur geglüht werden. Nachdem das Gemenge abgekühlt ist, kann der Sinterkuchen in der Mörsermühle gemahlen und durch ein 45 µm Sieb gesiebt werden. Das Pulver kann mit Salzsäure gewaschen werden, um Nebenprodukte zu entfernen. Ungefähr 20 g Pulver können in 100 ml halbkonzentrierter Säure für eine Stunde gerührt werden. Das ungelöste, sedimentierte Leuchtstoffpulver von der Säure abdekantiert werden. Anschließend können 100 ml einer frischen Säure zum Leuchtstoff hinzugefügt werden. Der Leuchtstoff kann mit dieser Säure gemischt werden und setzt sich dann beispielsweise über Nacht ab. Die Säure wird abdekantiert und 100 ml deionisiertes Wasser hinzugegeben. Der Leuchtstoff wird mit dem Wasser gemischt und es wird zehn Minuten gewartet, bis dieser sedimentiert. Der Überstand kann dann abdekantiert werden. Der Leuchtstoff wird im Vakuum filtriert und mit deionisiertem Wasser gewaschen. Danach erfolgt eine Trocknung des Leuchtstoffs bei 50 C° für mindestens zwei Stunden.Mixing can be done with an asymmetric centrifuge, for example, three times for 30 seconds at 1600 rpm. Subsequently, milling in a mortar mill for 10 minutes and re-mixing in an asymmetric centrifuge (twice for 30 seconds at 1600 rpm) can be performed. The mixture can then be transferred in a corundum crucible with a cover plate and placed in an oven. The furnace may have a reducing atmosphere of 4 percent hydrogen in nitrogen (4% forming gas, 240 L / min). The mixture can be heated to 1350 C ° and annealed for four hours at this temperature. After the mixture has cooled, the sinter cake can be ground in the mortar grinder and sieved through a 45 μm sieve. The powder can be washed with hydrochloric acid to remove by-products. About 20 g of powder can be stirred in 100 ml of half-concentrated acid for one hour. The undissolved, sedimented phosphor powder can be decanted from the acid. Subsequently, 100 ml of a fresh acid can be added to the phosphor. The phosphor can be mixed with this acid and then settles for example overnight. The acid is decanted off and 100 ml of deionized water are added. The phosphor is mixed with the water and it is waited ten minutes until it sediments. The supernatant can then be decanted off. The phosphor is filtered in vacuo and washed with deionized water. Thereafter, the phosphor is dried at 50 C ° for at least two hours.
Weitere Vorteile, vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen ergeben sich aus den im Folgenden in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Ausführungsbeispielen. Further advantages, advantageous embodiments and developments emerge from the embodiments described below in conjunction with the figures.
Es zeigt:It shows:
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 Einzelelemente wie z. B. Schichten, Bauteile, Bauelement und Bereiche zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt werden.In the exemplary embodiments and figures, identical, identical or identically acting elements can each be provided with the same reference numerals. The illustrated elements and their proportions with each other are not to be regarded as true to scale. Rather, individual elements such. As layers, components, device and areas for better representation and / or for better understanding are exaggerated.
Die
Die mit den Bezugszeichen
Die
Die
Dabei bedeuten in der
- C
- Kristallsystem, das kubisch ist (hier als cub abgekürzt).
- S
- Raumgruppe, L Gitterparameter in Angström,
- V
- Elementarzellvolumen in Angström3, F Anzahl an Formeleinheiten pro Elementarzelle, R verwendete Röntgenstrahlung, T die Temperatur in Kelvin, Rex/Rp R erwartet/ R profil, wRp WRprofil. Als Profilfunktionen wurden Pseudo-Voigt-Funktionen und als Untergrundfunktion eine Polynomfunktion verwendet. Ferner zeigt die
2B die kristallographischen Lagen bezeichnet durch die Wykoff-Positionen, hier als W bezeichnet der entsprechenden Atome, die hier mit A bezeichnet sind und ihre Koordinaten in der Elementarzelle. Zusätzlich sind die wichtigsten interatomaren Abstände zwischen den Atomen dargestellt. Die Tabelle listet jeweils den Abstand zwischen einem ersten Atom (A1) und einem zweiten Atom (A2), d bezeichnet den Abstand und N die Anzahl an entsprechenden symmetrieäquivalenten Atomen A2, die sich um A1 im selben Abstand befinden.
- C
- Crystal system that is cubic (here abbreviated as cub).
- S
- Space group, L Grid parameters in Angström,
- V
- Unit cell volume in angstrom 3 , F number of formula units per unit cell, R used X-radiation, T the temperature in Kelvin, R ex / R p R expected / R profile, WR profile WR profile. Pseudo-Voigt functions were used as profile functions and a polynomial function as background function. Furthermore, the shows
2 B the crystallographic positions are denoted by the Wykoff positions, here referred to as W, of the corresponding atoms, here denoted by A, and their coordinates in the unit cell. In addition, the most important interatomic distances between the atoms are shown. The table lists in each case the distance between a first atom (A1) and a second atom (A2), d denotes the distance and N the number of corresponding symmetry-equivalent atoms A2, which are at the same distance around A1.
Die
Die
Die
Der hier beschriebene Leuchtstoff zeigt eine breite Emissionsbande mit einer Dominanzwellenlänge λdom von größer 575 nm und einer Schwerpunktswellenlänge λcent größer 600 nm mit einer Halbwertsbreite von größer als 125 nm. Der Leuchtstoff zeigt zwei Absorptionsmaxima λ1 und λ2 bei ungefähr 310 nm und ungefähr 460 nm. Insbesondere kann der hier beschriebene Leuchtstoff bei rund 460 nm absorbieren, was ideal für Konversions-LED-Anwendungen ist.The phosphor described herein is a broad emission band with a dominant wavelength λ dom of greater than 575 nm and a center wavelength λ cent greater than 600 nm with a half width of greater than 125 nm. The phosphor exhibits two absorption maxima λ1 and λ2 at about 310 nm and about 460 nm In particular, the phosphor described herein can absorb at around 460 nm, which is ideal for conversion LED applications.
Die
Die
Das Bauelement
Der Verguss
Das optoelektronische Bauelement
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.The embodiments described in connection with the figures and their features can also be combined with each other according to further embodiments, even if such combinations are not explicitly shown in the figures. Furthermore, the embodiments described in connection with the figures may have additional or alternative features as described in the general part.
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. The invention is not limited by the description based on the embodiments of these. Rather, the invention encompasses any novel feature as well as any combination of features, including in particular any combination of features in the claims, even if this feature or combination itself is not explicitly stated in the patent claims or exemplary embodiments.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 100100
- optoelektronisches Bauelement optoelectronic component
- 1010
- Halbleiterchip Semiconductor chip
- 1515
- Trägersubstrat carrier substrate
- 2020
- Gehäuse casing
- 2525
- Ausnehmung recess
- 3030
- erster Anschluss first connection
- 3131
- zweiter Anschluss second connection
- 3232
- Bonddraht bonding wire
- 5050
- Verguss grouting
- 6060
- Leuchtstoffpartikel Phosphor particles
- 6161
- Konversionselement conversion element
- 70 70
- Linse lens
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- US 7094362 B2 [0003] US 7094362 B2 [0003]
Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature
- Setlur, A. A. et al., Chem. Mater. 2006, 18, 3314 bis 3322 [0003] Setlur, AA et al., Chem. Mater. 2006, 18, 3314 to 3322 [0003]
- Kawano Y. et al., Optical Materials Express 2014, 4, 1770 [0003] Kawano Y. et al., Optical Materials Express 2014, 4, 1770 [0003]
- R. Le Toquin et al., Chemical Physics Letters 2006, 423, 352 bis 356 [0003] R. Le Toquin et al., Chemical Physics Letters 2006, 423, 352-356 [0003]
- Yan et al, Trans Nonferrus Met Soc China 2008, 648 bis 653 [0065] Yan et al, Trans Nonferrus Met Soc. China 2008, 648-653 [0065]
- Hemmer, Universität Saarland, 2009 [0065] Hemmer, Saarland University, 2009 [0065]
- Katelnikovas, Vilnius, Münster 2002 [0065] Katelnikovas, Vilnius, Münster 2002 [0065]
- Ogieglo, University of Utrecht, 2012 [0065] Ogieglo, University of Utrecht, 2012 [0065]
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-
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