DE102017123265B4 - Leuchtstoff und Konversions-LED - Google Patents

Abstract

Leuchtstoff mit der Summenformel (AB)1+2yAl11-x-y(AC) LiyO17: E mit- 0 < x+y < 11,- x > 0,- AC = B, Ga und/oder In,- AB = Na, K, Rb und/oder Cs und- E = Eu, Ce, Yb und/oder Mn.

Description

• Die Erfindung betrifft einen Leuchtstoff, ein Verfahren zur Herstellung eines Leuchtstoffs und eine Konversions-LED.
• Leuchtstoffe, die effizient mit ultravioletter und/oder blauer Primärstrahlung angeregt werden können und eine effiziente Emission im blauen bis grünen Spektralbereich aufweisen, sind von großem Interesse für die Herstellung von weißen und farbigen Konversions-LEDs. Konversions-LEDs werden beispielsweise zur Allgemeinbeleuchtung eingesetzt.
• Die DE 23 53 943 A offenbart einen Leuchtschirm, dessen Leuchtstoff ein Aluminat, ein Gallat oder ein Aluminatgallat ist.
• M. Laberge et al.: Site-selective spectroscopy of Eu(III)β-aluminogallate. In Journal of Luminescence, 59, 1994, 263-268. - ISSN: 0022-2313 offenbart spektroskopische Eigenschaften von of Eu(III)β-aluminogallate.
  A.P. Brown: Site-Selective Fluorescence Spectroscopy of Eu(III)β’’-Alumina. In Journal of Solid State Chemistry 100, 1992, 49-61. - ISSN: 0022-4596 offenbart Eigenschaften von Eu (III)β”- alumina.
• Eine Aufgabe der Erfindung liegt darin, einen Leuchtstoff anzugeben, der eine Strahlung im blauen bis grünen Bereich des elektromagnetischen Spektrums emittiert. Eine weitere Aufgabe besteht in der Bereitstellung eines Verfahrens zur Herstellung eines Leuchtstoffs, der eine Strahlung im blauen bis grünen Bereich des elektromagnetischen Spektrums emittiert und in der Bereitstellung einer Konversions-LED umfassend einen Leuchtstoff, der eine Strahlung im blauen bis grünen Bereich des elektromagnetischen Spektrums emittiert.
• Die Aufgabe wird durch einen Leuchtstoff, ein Verfahren zur Herstellung eines Leuchtstoffs und einer Konversions-LED gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungen sowie Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind jeweils in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
• Es wird ein Leuchtstoff mit der Summenformel (AB)_1+2yAl_11-x-y(AC)_xLi_yO₁₇:E angegeben. Für den Leuchtstoff gilt:
• - 0 < x+y < 11,
• - x > 0,
• - AC = B, Ga und/oder In,
• - AB = Na, K, Rb und/oder Cs, und
• - E = Eu, Ce, Yb und/oder Mn. Bevorzugt gilt
• - y > 0. Gemäß der bevorzugten Ausführungsform enthält der Leuchtstoff in seiner Summenformel somit sowohl B, Ga und/oder In und Li.
• Hier und im Folgenden werden Leuchtstoffe anhand von Summenformeln beschrieben. Es ist bei den angegebenen Summenformeln möglich, dass der Leuchtstoff weitere Elemente etwa in Form von Verunreinigungen aufweist, wobei diese Verunreinigungen zusammengenommen bevorzugt höchstens einen Gewichtsanteil an dem Leuchtstoff von höchstens 1 Promille oder 100 ppm (parts per million) oder 10 ppm aufweisen sollten.
• Überraschenderweise ist es den Erfindern gelungen, einen Leuchtstoff bereitzustellen, der von einem Alkali-Aluminat abgeleitet ist und der innerhalb seiner Summenformel neben Alkalimetall- (Na, K, Rb und/oder Cs) und Aluminiumionen dreiwertige Kationen oder Lithiumionen und dreiwertige Kationen enthält und insbesondere in einer zu Natrium-β''-Aluminat isotypen Kristallstruktur kristallisiert. Durch die Dotierung mit einem Aktivator E (E = Eu, Ce, Yb und/oder Mn), bevorzugt Eu, besonders bevorzugt Eu²⁺, kann der Leuchtstoff nach Anregung mit einer Primärstrahlung im blauen oder nahen UV-Bereich eine Strahlung im blauen bis grünen, bevorzugt im grünen Bereich des elektromagnetischen Spektrums emittieren.
• Dass zwei Verbindungen in einer isotypen Kristallstruktur kristallisieren, bedeutet insbesondere, dass die Atome der einen Verbindung denselben Platz innerhalb der Kristallstruktur einnehmen wie die korrespondierenden Atome der anderen Verbindung. Dadurch bleiben die Verknüpfungen von Baueinheiten innerhalb der Strukturen unverändert erhalten.
• Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Leuchtstoff die folgende allgemeine Summenformel auf:
• (AB)_1+2yAl_11-x-y (AC)_xLi_yO₁₇: Eu, wobei gilt:
  • - 0 < x+y < 11,
  • - x > 0,
  • - AC = B, Ga und/oder In und
  • - AB = Na, K, Rb und/oder Cs. Bevorzugt gilt y > 0. Die Erfinder haben herausgefunden, dass Eu-dotierte Leuchtstoffe besonders effizient sind.
• Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Leuchtstoff die folgende allgemeine Summenformel auf:
• (AB)Al_11-x(AC)_xO₁₇: E, wobei gilt:
  • - 0 < x < 11,
  • - AC = B, Ga und/oder In und
  • - AB = Na, K, Rb und/oder Cs.
• Der Leuchtstoff leitet sich insbesondere von einem Alkali-Aluminat ab und weist innerhalb seiner Summenformel neben Alkalimetall- (Na, K, Rb und/oder Cs) und Aluminiumionen dreiwertige Kationen auf. Leuchtstoffe gemäß dieser Ausführungsform zeigen insbesondere eine Emission im blauen Spektralbereich mit einer Peakwellenlänge zwischen 470 nm und 500 nm.
• Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Leuchtstoff die folgende allgemeine Summenformel auf:
• (AB) Al_11-xGa_xO₁₇: Eu, wobei gilt:
  • - 1 > x > 0 ,
  • - AC= Ga,
  • - AB = Na, K, Rb und/oder Cs, bevorzugt AB = Na.
• Der Leuchtstoff leitet sich insbesondere von einem Alkali-Aluminat ab und weist innerhalb seiner Summenformel neben Alkalimetall- (Na, K, Rb und/oder Cs) und Aluminiumionen Galliumionen auf. Leuchtstoffe gemäß dieser Ausführungsform zeigen insbesondere eine Emission im blauen Spektralbereich mit einer Peakwellenlänge zwischen 470 nm und 500 nm.
• Als „Peakwellenlänge“ wird vorliegend die Wellenlänge im Emissionsspektrum bezeichnet, bei der die maximale Intensität im Emissionsspektrum liegt.
• Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Leuchtstoff die Formel (AB) _1+2yAl_11-x-y (AC) _xLi_yO₁₇: E auf, wobei
• - 0 < x+y < 5, bevorzugt 0 ≤ x+y ≤ 3 besonders bevorzugt 0,5 ≤ x+y ≤ 3
• - x > 0,
• - y > 0,
• - AC = B, Ga und/oder In,
• - AB = Na, K, Rb und/oder Cs und
• - E = Eu, Ce, Yb und/oder Mn, bevorzugt E = Eu.
• Der Leuchtstoff leitet sich insbesondere von einem Alkali-Aluminat ab und weist innerhalb seiner Summenformel neben Alkalimetall- (Na, K, Rb und/oder Cs) und Aluminiumionen dreiwertige Kationen B, Ga und/oder In und Li-Ionen auf.
• AC und Li können innerhalb der Kristallstruktur insbesondere ein oder mehrere Al-Gitterplätze teilweise besetzen. Eine alternative Schreibweise für die Summenformel des Leuchtstoffs, die die teilweise Substitution von fünf Aluminiumionen durch AC und Li verdeutlicht, ist (AB)_1+2y Al₆(Al_5-x-y) (AC)_xLi_yO₁₇: Eu. Leuchtstoffe, die sowohl AC und Li enthalten zeigen im Vergleich zu Leuchtstoffen, die nur AC oder Li enthalten, überraschenderweise eine in den langwelligen Bereich verschobene Peakwellenlänge und Dominanzwellenlänge und emittieren insbesondere im grünen Bereich des elektromagnetischen Spektrums.
• Die Dominanzwellenlänge ist eine Möglichkeit, nichtspektrale (polychromatische) Lichtmischungen durch spektrales (monochromatisches) Licht, welches eine ähnliche Farbtonwahrnehmung erzeugt, zu beschreiben. Im CIE-Farbraum kann die Linie, die einen Punkt für eine bestimmte Farbe und den Punkt CIE-x = 0.333, CIE-y = 0.333 verbindet, so extrapoliert werden, dass sie den Umriss des Raums in zwei Punkten trifft. Der Schnittpunkt, der näher an der besagten Farbe liegt, repräsentiert die Dominanzwellenlänge der Farbe als Wellenlänge der reinen spektralen Farbe an diesem Schnittpunkt. Die Dominanzwellenlänge ist also die Wellenlänge, die von dem menschlichen Auge wahrgenommen wird.
• Gemäß zumindest einer Ausführungsform liegt die Peakwellenlänge des Leuchtstoffs im grünen Bereich des elektromagnetischen Spektrums, bevorzugt zwischen 520 nm und 560 nm, besonders bevorzugt zwischen 525 nm und 550 nm. Grün emittierende Leuchtstoffe werden für eine Vielzahl an Anwendungen, wie beispielweise für Konversions-LEDs für die Allgemeinbeleuchtung, benötigt.
• Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Leuchtstoff die Formel (AB) _1+2yAl_11-x-y (AC) _xLi_yO₁₇: E oder (AB) _1+2yAl_11-x-y(AC)_xLi_yO₁₇:Eu auf, wobei
• - 0 < x+y < 5, bevorzugt 0 ≤ x+y ≤ 3, besonders bevorzugt 0,5 ≤ x+y ≤ 3,
• - 0 < x ≤ 3, bevorzugt 0 < x ≤ 2,
• - 0 < y ≤ 2, bevorzugt 0 < y ≤ 1,
• - AC = B, Ga und/oder In,
• - AB = Na, K, Rb und/oder Cs und
• - E = Eu, Ce, Yb und/oder Mn.
• Die Leuchtstoffe der Formel (AB)_1+2yAl_11-x-y (AC)_xLi_yO₁₇:E oder (AB)_1+2yAl_11-x-y(AC)_xLi_yO₁₇:Eu sind sehr stabil und weisen insbesondere eine hohe Quanteneffizienz auf. Die Leuchtstoffe weisen ein hohes Absorptionsvermögen im nahen UV-Bereich bis blauen Bereich auf und lassen sich somit effizient mit einer Primärstrahlung in diesem Wellenlängenbereich anregen. Die Primärstrahlung kann von dem Leuchtstoff ganz (Vollkonversion) oder teilweise (Teilkonversion) in eine längerwellige Strahlung, auch Sekundärstrahlung genannt, umgewandelt werden. Zudem kann die Halbwertsbreite unter 75 nm liegen. Die Halbwertsbreite ist im Vergleich zu der von bekannten grünen Leuchtstoffen, wie beispielweise Lu₃Al₅O₁₂:Ce, sehr gering. Aufgrund der kleinen Halbwertsbreite kann eine hohe Farbreinheit erzielt werden und die Effizienz und die Lichtausbeute einer Konversions-LED enthaltend den Leuchtstoff können gesteigert werden.
• Unter der Halbwertsbreite wird hier und im Folgenden die spektrale Breite auf halber Höhe des Maximums des Emissionspeaks, kurz FWHM oder Full-width at half maximum, verstanden. Als Emissionspeak wird der Peak mit der maximalen Intensität verstanden.
• Die Erfinder haben herausgefunden, dass überraschenderweise das Vorhandensein von Li und AC in dem Leuchtstoff für die guten optischen Eigenschaften, insbesondere die Lage der Peakwellenlänge im grünen Bereich des elektromagnetischen Spektrums und die geringe Halbwertsbreite, verantwortlich ist. So zeigen beispielweise Na_1,72Li_0,3Al_10,66O₁₇:Eu²⁺ und NaAl_10,5Ga_0,5O₁₇ : Eu²⁺ im Vergleich zu Na_1+2yAl_11-x-yGa_xLi_yO₁₇ : Eu mit
• - 0 < x ≤ 3 und
• - 0 < y ≤ 2
eine zu kürzeren Wellenlängen verschobene Peakwellenlänge und eine größere Halbwertsbreite.
• Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Leuchtstoff die Summenformel Na_1+2yAl_11-x-y (AC) "Li_yO₁₇ : E oder Na_1+2yAl_11-x-y(AC)_xLi_yO₁₇:Eu auf, wobei
• - 0 < x+y < 5, bevorzugt 0 ≤ x+y ≤ 3, besonders bevorzugt 0,5 ≤ x+y ≤ 3,
• - 0 < x ≤ 3, bevorzugt 0 < x ≤ 2,
• - 0 < y ≤ 2, bevorzugt 0 < y ≤ 1,
• - AC = B, Ga und/oder In und
• - E = Eu, Ce, Yb und/oder Mn.
• Na_1+2yAl_11-x-y (AC) _xLi_yO₁₇: E oder Na_1+2yAl_11-x-y (AC) _xLi_yO₁₇: Eu leitet sich insbesondere von Natrium-β "-Aluminat ab und weist im Vergleich zu Natrium-β "-Aluminat innerhalb seiner Summenformel neben Natrium- und Aluminiumionen Lithiumionen und Bor-, Gallium- und/oder Indiumionen auf. Insbesondere kristallisiert der Leuchtstoff in einer zu Natrium-β "-Aluminat isotypen Kristallstruktur. Dabei können innerhalb der Kristallstruktur insbesondere Li und AC des Leuchtstoffs denselben Gitterplatz innerhalb der Kristallstruktur einnehmen wie Al in Natrium-β "-Aluminat. Al, AC und Li besetzen somit insbesondere eine kristallographische Position.
• Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Leuchtstoff die Summenformel Na_1+2yAl_11-x-y (Ga_1-zA_z)_xLi_yO₁₇: E oder Na_1+2yAl_11-x-y(Ga_1-zA_z)_xLi_yO_17:Eu auf, wobei
• - 0 ≤ z < 1, bevorzugt 0 ≤ z < 0,5,
• - 0 < x+y < 5, bevorzugt 0 ≤ x+y ≤ 3, besonders bevorzugt 0,5 ≤ x+y ≤ 3,
• - 0 < x ≤ 3, bevorzugt 0 < x ≤ 2,
• - 0 < y ≤ 2, bevorzugt 0 < y ≤ 1,
• - A = B und/oder In und
• - E = Eu, Ce, Yb und/oder Mn.
• Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Leuchtstoff die Summenformel Na_1+2yAl_11-x-yGa_xLi_yO₁₇ : E oder Na_1+2yAl_{11-x- y}Ga_xLi_yO₁₇ : Eu auf, wobei
• - 0 < x+y < 5, bevorzugt 0 ≤ x+y ≤ 3, besonders bevorzugt 0,5 ≤ x+y ≤ 3,
• - 0 < x ≤ 3, bevorzugt 0 < x ≤ 2
• - 0 < y ≤ 2, 0 < y ≤ 1
• - E = Eu, Ce, Yb und/oder Mn.
• Leuchtstoffe dieser Ausführungsform zeigen eine besonders hohe Quanteneffizienz, eine hohe Lichtausbeute, eine Emission mit geringer Halbwertsbreite, sowie eine gute Farbwiedergabe und Farbreinheit.
• Die Erfinder haben herausgefunden, dass durch eine Variation des Li- und/oder des Gallium Gehalts die Lage der Peakwellenlänge verschoben werden kann. Mit Vorteil ist es somit möglich, die Peakwellenlänge für Anwendungen gezielt anzupassen.
• Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Leuchtstoff die Summenformel Na_1+2yAl_11-x-yGa_xLi_yO₁₇ : E oder Na_1+2yAl_11-x-yGa_xLi_yO₁₇ : Eu auf, wobei
• - 0 ≤ x+y ≤ 3, besonders bevorzugt 0,5 ≤ x+y ≤ 3,
• - 0 < x ≤ 2,
• - 0 < y ≤ 1, und
• - E = Eu, Ce, Yb und/oder Mn.
• Gemäß zumindest einer Ausführungsform kristallisiert der Leuchtstoff in einem trigonalen Kristallsystem.
• Gemäß zumindest einer Ausführungsform kristallisiert der Leuchtstoff in einer Raumgruppe R3m. Bevorzugt kristallisiert der Leuchtstoff in einem trigonalen Kristallsystem mit der Raumgruppe R3m.
• Die angegebenen Ausführungsformen des Leuchtstoffs können gemäß nachfolgend angegebenen Verfahren hergestellt werden. Alle für den Leuchtstoff beschriebenen Merkmale gelten somit auch für das Verfahren zu dessen Herstellung und umgekehrt.
• Es wird ein Verfahren zur Herstellung eines Leuchtstoffs angegeben. Der Leuchtstoff weist die Formel (AB) _1+2yAl_11-x-y (AC) _x Li_yO₁₇ : E auf, wobei
• - 0 < x+y < 11,
• - x > 0,
• - AC = B, Ga und/oder In,
• - AB = Na, K, Rb und/oder Cs, und
• - E = Eu, Ce, Yb und/oder Mn. Bevorzugt gilt y > 0. Gemäß der bevorzugten Ausführungsform enthält der Leuchtstoff somit sowohl B, Ga und/oder In und Li.
• Das Verfahren umfasst folgende Verfahrensschritte:
1. A) Vermengen von Edukten des Leuchtstoffs,
2. B) Aufheizen des unter A) erhaltenen Gemenges auf eine Temperatur T1 zwischen 1200 und 1800 °C, bevorzugt zwischen 1400 °C und 1650 °C,
3. C) Glühen des Gemenges bei einer Temperatur T1 zwischen 1200 und 1800 °C, bevorzugt zwischen 1400 °C und 1650 °C, für 5 Stunden bis 10 Stunden.
• Gemäß zumindest einer Ausführungsform werden als Edukte im Verfahrensschritt A) (AB)₂CO₃, Al₂O₃, (AC)₂O₃ und Eu₂O₃ oder Li₂CO₃, (AB)₂CO₃, Al₂O₃, (AC)₂O₃ und Eu₂O₃ eingesetzt, wobei AC = B, Ga und/oder In und AB = Na, K, Rb und/oder Cs. Die Edukte können insbesondere als Pulver vorliegen und eingesetzt werden.
• In einer Ausführungsform folgt nach Verfahrensschritt C) ein weiterer Verfahrensschritt:
• D) Abkühlen des Gemenges auf Raumtemperatur. Unter Raumtemperatur werden insbesondere 20 °C verstanden.
• In einer Ausführungsform werden Verfahrensschritt D), C) und B) unter einer Formiergasatmosphäre, insbesondere mit 7,5 % H₂ und 92,5 % N₂ durchgeführt.
• In einer Ausführungsform folgen auf Verfahrensschritt D) erneut die Verfahrensschritte B) und C), wobei dann der in Verfahrensschritt D) erhaltene Leuchtstoff aufgeheizt beziehungsweise geglüht wird. Durch diesen weiteren Glühvorgang können die optischen Eigenschaften des Leuchtstoffs verbessert werden.
• Das Verfahren zur Herstellung ist im Vergleich zu vielen anderen Herstellungsverfahren für Leuchtstoffe sehr einfach durchzuführen. Insbesondere wird keine Schutzgasatmosphäre benötigt, da die Edukte und der entstehende Leuchtstoff feuchtigkeits- oder sauerstoffunempfindlich sind. Die Edukte sind kostengünstig kommerziell erhältlich, was den Leuchtstoff auch wirtschaftlich interessant macht.
• Es wird eine Konversions-LED (Konversions-lichtemittierende Diode) umfassend einen Leuchtstoff angegeben. Die angegebenen Ausführungsformen des Leuchtstoffs können in einer Konversions-LED, wie nachfolgend beschrieben, enthalten sein. Alle für den Leuchtstoff beschriebenen Merkmale gelten somit auch für den Leuchtstoff in der Konversions-LED und umgekehrt.
• Es wird eine Konversions-LED angegeben. Die Konversions-LED umfasst eine Primärstrahlungsquelle, die im Betrieb des Bauelements eine elektromagnetische Primärstrahlung emittiert, und ein Konversionselement umfassend einen Leuchtstoff. Das Konversionselement ist im Strahlengang der elektromagnetischen Primärstrahlung angeordnet und der Leuchtstoff ist dazu eingerichtet, die elektromagnetische Primärstrahlung zumindest teilweise in eine elektromagnetische Sekundärstrahlung zu konvertieren. Der Leuchtstoff weist die Formel (AB)_1+2yAl_11-x-y(AC)_xLi_yO₁₇:E auf, wobei
• - 0 < x+y < 11,
• - x > 0,
• - AC = B, Ga und/oder In,
• - AB = Na, K, Rb und/oder Cs, und
• - E = Eu, Ce, Yb und/oder Mn. Bevorzugt gilt y > 0. Gemäß der bevorzugten Ausführungsform enthält der Leuchtstoff somit sowohl B, Ga und/oder In und Li.
• Dass der Leuchtstoff die elektromagnetische Primärstrahlung zumindest teilweise in eine elektromagnetische Sekundärstrahlung konvertiert, kann zum einen bedeuten, dass die elektromagnetische Primärstrahlung teilweise von dem Leuchtstoff absorbiert und als Sekundärstrahlung mit einem zumindest teilweise von der Primärstrahlung verschiedenen, insbesondere längeren Wellenlängenbereich emittiert wird. Bei dieser sogenannten Teilkonversion emittiert die Konversions-LED insbesondere eine Gesamtstrahlung, die sich aus der Primärstrahlung und der Sekundärstrahlung zusammensetzt. Es ist also möglich, dass die Konversions-LED eine Mischstrahlung aus Primärstrahlung und Sekundärstrahlung emittiert.
• Dass der Leuchtstoff zumindest teilweise die elektromagnetische Primärstrahlung in eine elektromagnetische Sekundärstrahlung konvertiert, kann auch bedeuten, dass die elektromagnetische Primärstrahlung nahezu vollständig durch den Leuchtstoff absorbiert wird und in Form einer elektromagnetischen Sekundärstrahlung abgegeben wird. Dies kann auch als Vollkonversion bezeichnet werden. Die emittierte Strahlung beziehungsweise Gesamtstrahlung der Konversions-LED gemäß dieser Ausführungsform entspricht somit vollständig oder nahezu vollständig der elektromagnetischen Sekundärstrahlung. Unter nahezu vollständiger Konversion ist eine Konversion über 90 %, insbesondere über 95 %, zu verstehen. Es ist also möglich, dass die Konversions-LED überwiegend Sekundärstrahlung emittiert.
• Gemäß zumindest einer Ausführungsform handelt es sich bei der Primärstrahlungsquelle um eine Schichtenfolge mit einer aktiven Schicht, die dazu eingerichtet ist, im Betrieb der Konversions-LED eine elektromagnetische Primärstrahlung zu emittieren.
• Unter „Schichtenfolge“ ist in diesem Zusammenhang eine mehr als eine Schicht umfassende Schichtenfolge zu verstehen, beispielsweise eine Folge einer p-dotierten und einer n-dotierten Halbleiterschicht, wobei die Schichten übereinander angeordnet sind und wobei zumindest eine aktive Schicht enthalten ist, die elektromagnetische Primärstrahlung emittiert.
• Die Schichtenfolge kann als Epitaxieschichtenfolge oder als strahlungsemittierender Halbleiterchip mit einer Epitaxieschichtenfolge, also als epitaktisch gewachsene Halbleiterschichtenfolge, ausgeführt sein. Dabei kann die Schichtenfolge beispielsweise auf der Basis von InGaAlN ausgeführt sein. InGaAlN-basierte Halbleiterchips und Halbleiterschichtenfolgen sind insbesondere solche, bei denen die epitaktisch hergestellte Halbleiterschichtenfolge eine Schichtenfolge aus unterschiedlichen Einzelschichten aufweist, die mindestens eine Einzelschicht enthält, die ein Material aus dem III-V-Verbindungshalbleitermaterialsystem In_xAl_yGa_1-x-yN mit 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1 und x + y ≤ 1 aufweist. Halbleiterschichtenfolgen, die zumindest eine aktive Schicht auf Basis von InGaAlN aufweisen, können beispielsweise elektromagnetische Strahlung in einem ultravioletten bis blauen Wellenlängenbereich emittieren.
• Die aktive Halbleiterschichtenfolge kann neben der aktiven Schicht weitere funktionale Schichten und funktionelle Bereiche umfassen, etwa p- oder n-dotierte Ladungsträgertransportschichten, also Elektronen- oder Löchertransportschichten, undotierte oder p- oder n-dotierte Confinement-, Cladding- oder Wellenleiterschichten, Barriereschichten, Planarisierungsschichten, Pufferschichten, Schutzschichten und/oder Elektroden sowie Kombinationen daraus. Weiterhin können beispielsweise auf einer dem Aufwachssubstrat abgewandten Seite der Halbleiterschichtenfolge eine oder mehrere Spiegelschichten aufgebracht sein. Die hier beschriebenen Strukturen, die aktive Schicht oder die weiteren funktionalen Schichten und Bereiche betreffend sind dem Fachmann insbesondere hinsichtlich Aufbau, Funktion und Struktur bekannt und werden von daher an dieser Stelle nicht näher erläutert.
• In einer Ausführungsform liegt die elektromagnetische Primärstrahlung der Primärstrahlungsquelle beziehungsweise der aktiven Schicht der Schichtenfolge im nahen UV-Bereich bis blauen Bereich des elektromagnetischen Spektrums. Im nahen UV-Bereich kann dabei bedeuten, dass die emittierte Primärstrahlung eine Wellenlänge zwischen einschließlich 300 nm und einschließlich 420 nm aufweist. Im blauen Bereich des elektromagnetischen Spektrums kann dabei bedeuten, dass die emittierte Primärstrahlung eine Wellenlänge zwischen 420 nm und einschließlich 500 nm aufweist. Insbesondere hat sich gezeigt, dass der Leuchtstoff besonders effizient elektromagnetische Primärstrahlung im blauen Bereich absorbiert.
• Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die Primärstrahlungsquelle beziehungsweise die Schichtenfolge eine Strahlungsaustrittsfläche auf, über der das Konversionselement angeordnet ist.
• Dass eine Schicht oder ein Element „auf“ oder „über“ einer anderen Schicht oder einem anderen Element angeordnet oder aufgebracht ist, kann dabei hier und im Folgenden bedeuten, dass die eine Schicht oder das eine Element unmittelbar in direktem mechanischem und/oder elektrischem Kontakt auf der anderen Schicht oder dem anderen Element angeordnet ist. Weiter kann es auch bedeuten, dass die eine Schicht oder das eine Element mittelbar auf beziehungsweise über der anderen Schicht oder dem anderen Element angeordnet ist. Dabei können dann weitere Schichten und/oder Elemente zwischen der einen oder der anderen Schicht beziehungsweise zwischen dem einen oder dem anderen Element angeordnet sein.
• Die Strahlungsaustrittsfläche ist dabei eine Hauptfläche der Primärstrahlungsquelle beziehungsweise der Schichtenfolge. Die Strahlungsaustrittsfläche erstreckt sich insbesondere parallel zu einer Haupterstreckungsebene der Halbleiterschichten der Schichtenfolge. Beispielsweise tritt mindestens 75 % oder 90 % der die Schichtenfolge verlassenden Primärstrahlung über die Strahlungsaustrittsfläche aus der Schichtenfolge heraus.
• In einer Ausführungsform weist das Konversionselement einen direkten mechanischen Kontakt zu der Primärstrahlungsquelle beziehungsweise der Schichtenfolge, insbesondere zu der Strahlungsaustrittsfläche der Primärstrahlungsquelle beziehungsweise der Schichtenfolge, auf.
• In einer Ausführungsform ist das Konversionselement vollflächig über der Primärstrahlungsquelle beziehungsweise der Schichtenfolge, insbesondere der Strahlungsaustrittsfläche der Primärstrahlungsquelle beziehungsweise der Schichtenfolge, angeordnet.
• Die Konversion der UV- beziehungsweise blauen Primärstrahlung durch den Leuchtstoff (AB)_1+2yAl_11-x-y(AC)_xLi_yO₁₇: E, bevorzugt (AB)_1+2yAl_11-x-y(AC)_xLi_yO₁₇:Eu resultiert in einer Sekundärstrahlung mit einer Peakwellenlänge im blauen bis grünen Bereich des elektromagnetischen Spektrums, bevorzugt im grünen Bereich des elektromagnetischen Spektrums, insbesondere zwischen 520 nm und 560 nm. Damit liegt diese sehr nah am Maximum der Augenempfindlichkeit bei 555 nm, wodurch die Sekundärstrahlung einen hohen Überlapp mit der Augenempfindlichkeitskurve aufweist und somit als hell empfunden wird. Dadurch können Konversions-LEDs umfassend den Leuchtstoff mit Vorteil eine hohe Effizienz aufweisen.
• Um eine weiße Gesamtstrahlung der Konversions-LED zu erzeugen, kann das Konversionselement einen zweiten Leuchtstoff umfassen, der dazu eingerichtet sein kann, im Betrieb der Konversions-LED die elektromagnetische Primärstrahlung und/oder die elektromagnetische Sekundärstrahlung, welche vom dem Leuchtstoff (AB) _1+2yAl_11-x-y (AC) _xLi_yO_17: E, bevorzugt (AB) _1+2yAl_11-x-y (AC) _xLi_yO_17: Eu emittiert wird, teilweise in eine elektromagnetische Sekundärstrahlung im roten Bereich des elektromagnetischen Spektrums zu konvertieren. Eine Überlagerung einer blauen Primärstrahlung und der grünen und roten Sekundärstrahlung erzeugt einen weißen Leuchteindruck.
• Der zweite Leuchtstoff mit einer Peakwellenlänge im roten Spektralbereich kann beispielsweise ein Nitridosilikat oder ein Nitridoaluminat sein. Insbesondere kann das Nitridosilikat ausgewählt sein aus den Materialsystemen (Ca, Sr, Ba, Eu) ₂ (Si,Al) ₅ (N, O) ₈, (Ca, Sr, Ba, Eu) AlSi (N, O)₃, (Ca, Sr, Ba, Eu) AlSi (N, O) ₃ ·Si₂N₂O, (Ca, Sr, Ba, Eu) ₂Si₅N₈, (Ca,Sr,Ba,Eu)AlSiN₃ und Kombinationen daraus. Das Nitridoaluminat kann die Formel MLiAl₃N₄:Eu (M = Ca,Sr) aufweisen.
• Weiterhin kann der zweite Leuchtstoff aus einem Materialsystem mit einer Peakwellenlänge im roten Spektralbereich ausgewählt sein, der in der Patentanmeldung WO 2015/052238 A1 beschrieben ist, deren Offenbarungsgehalt hiermit diesbezüglich vollumfänglich durch Rückbezug aufgenommen wird. Beispielsweise weist der zweite Leuchtstoff die Formel Sr(Sr,Ca)Si₂Al₂N₆:Eu auf.
• Der zweite Leuchtstoff mit einer Peakwellenlänge im roten Spektralbereich kann auch ein Leuchtstoff mit der Summenformel A₂[SiF₆] :Mn⁴⁺ mit A = Li, Na, K, Rb, Cs sein, beispielsweise K₂SiF₆:Mn⁴⁺.
• Der zweite Leuchtstoff mit einer Peakwellenlänge im roten Spektralbereich kann auch Mg₄GeO_5,5F:Mn sein.
• In einer Ausführungsform umfasst das Konversionselement ein Matrixmaterial. Der Leuchtstoff oder der Leuchtstoff und der zweite Leuchtstoff kann in dem Matrixmaterial verteilt sein, beispielsweise ist er in dem Matrixmaterial homogen verteilt.
• Das Matrixmaterial ist sowohl transparent für die Primärstrahlung als auch für die Sekundärstrahlung und ist beispielsweise ausgewählt aus einer Gruppe von Materialien bestehend aus: Gläser, Silikone, Epoxidharze, Polysilazane, Polymethacrylate und Polycarbonate sowie Kombinationen davon. Unter transparent wird verstanden, dass das Matrixmaterial zumindest teilweise durchlässig für die Primärstrahlung als auch für die Sekundärstrahlung ist.
• In einer Ausführungsform handelt es sich bei den Leuchtstoffen um Partikel des entsprechenden Leuchtstoffs. Die Partikel der Leuchtstoffe können unabhängig voneinander eine mittlere Korngröße zwischen 1 µm und 50 µm, bevorzugt zwischen 5 µm und 40 µm, besonders bevorzugt zwischen 8 µm und 35 µm, ganz besonders bevorzugt zwischen 8 µm und 30 µm, aufweisen. Mit diesen Korngrößen wird die Primärstrahlung beziehungsweise die Sekundärstrahlung an diesen Partikeln vorteilhafterweise wenig und/oder hauptsächlich in Vorwärtsrichtung gestreut, was Effizienzverluste verringert.
• In einer Ausführungsform besteht das Konversionselement aus dem Leuchtstoff und dem Matrixmaterial oder dem Leuchtstoff und dem zweiten Leuchtstoff und dem Matrixmaterial.
• Die Konversions-LED kann ein Gehäuse umfassen. In dem Gehäuse kann in der Mitte eine Ausnehmung vorhanden sein. Die Primärstrahlungsquelle beziehungsweise die Schichtenfolge kann in der Ausnehmung angebracht sein. Möglich ist auch, dass eine oder mehrere weitere der Primärstrahlungsquellen beziehungsweise Schichtenfolgen in der Ausnehmung angebracht sind.
• Es ist möglich, dass die Ausnehmung mit einem die Primärstrahlungsquelle beziehungsweise die Schichtenfolge abdeckenden Verguss ausgefüllt ist. Die Ausnehmung kann aber auch aus einem Luftraum bestehen.
• In einer Ausführungsform ist das Konversionselement Teil eines Vergusses der Primärstrahlungsquelle beziehungsweise der Schichtenfolge oder das Konversionselement bildet den Verguss.
• In einer Ausführungsform ist das Konversionselement als eine Schicht ausgebildet. Die Schicht kann über der Strahlungsaustrittsfläche der Primärstrahlungsquelle beziehungsweise des Schichtenstapels oder über der Strahlungsaustrittsfläche und den Seitenflächen der Primärstrahlungsquelle beziehungsweise der Schichtenfolge angeordnet sein.
• Aufgrund der hervorragenden optischen Eigenschaften des Leuchtstoffs ( (AB) _1+2yAl_11-x-y (AC) Li_yO₁₇: E, bevorzugt (AB) _1-2yAl_11-x-y(AC)_xLi_yO₁₇:Eu wie eine hohe Quanteneffizienz, eine hohe Lichtausbeute, eine Emission mit geringer Halbwertsbreite, eine gute Farbwiedergabe und Farbreinheit, eignen sich Konversions-LEDs umfassend diesen Leuchtstoff für viele Beleuchtungsanwendungen, zum Beispiel für die Allgemein- und Straßenbeleuchtung, als auch für die Hinterleuchtung von Anzeigeelementen wie Displays.
• Ausführungsbeispiele
• Ein Vergleichsbeispiel (AB1) weist die Summenformel Na_1+2yAl_{11- x-y}Ga_xLi_yO₁₇:Eu²⁺ (2 Mol-% Eu²⁺) mit x = 0,35 und y = 0,5 und somit die Formel Na_1,7Al_10,25Ga_0,35Li_0,5O₁₇: Eu²⁺ auf und wird wie folgt hergestellt: Na₂CO₃, Li₂CO₃, Ga₂O₃, Al₂O₃ und Eu₂O₃ werden intensiv gemischt und in einem Korund-Tiegel für fünf bis zehn Stunden in einem Ofen bei Temperaturen zwischen 1400 °C und 1650 °C unter Formiergasatmosphäre geglüht (N₂:H₂ = 92,5:7,5) und anschließend abgekühlt. Es wird ein grün-gelbes Produkt erhalten. Die Einwaagen der Edukte finden sich in nachfolgender Tabelle 1. Weiteres Aufheizen unter derselben Formiergasatmosphäre und auf Temperaturen unter dem Schmelzpunkt des Leuchtstoffs können durchgeführt werden, um die optischen Eigenschaften des Leuchtstoffs weiter zu verbessern. Vorliegend wurde die Synthese des Leuchtstoffs nicht optimiert. Tabelle 1:

  Edukt	Stoffmenge / mmol	Masse / g
  Na2CO3	39, 81	4,218
  Li2CO3	9, 947	0,735
  Ga2O3	39,80	7,460
  Al2O3	169,1	17,245
  EU2O3	0, 972	0,342

• Die Edukte des Leuchtstoffs sind kommerziell erhältlich, stabil und zudem sehr preisgünstig. Die einfache Synthese macht den Leuchtstoff sehr preisgünstig in seiner Herstellung und dadurch auch wirtschaftlich attraktiv.
• Der Leuchtstoff des Vergleichsbeispiels (AB1) zeigt eine Emission im grünen Spektralbereich des elektromagnetischen Spektrums mit einer Peakwellenlänge bei 530 nm und einer Halbwertsbreite von 66,5 nm.
• Ausführungsbeispiele sind in nachfolgender Tabelle 2 angegeben. Tabelle 2:

  Ausführungsbeispiel	Formel
  AB2	Na1, 8Al9, 6GaLi0, 4O17: Eu2+
  AB3	Na2Al9, 5GaLi0, 5O17 : Eu2+
  AB4	Na2Al8,5Ga2Li0,5O17: Eu2+
  AB5	NaAl10, 5Ga0, 5O17: Eu2+

• Die Ausführungsbeispiele AB2, AB3, AB4 und AB5 wurden analog zu dem Vergleichsbeispiel synthetisiert, jedoch mit unterschiedlichen Mengen an Edukten. Bei der Synthese von AB5 wurde insbesondere kein Li₂CO₃ eingesetzt, da es sich um einen Lithium-freien Leuchtstoff handelt.
• Weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Ausführungsbeispielen.
• 1, 2 zeigen charakteristische Eigenschaften von Leuchtstoffen
• 3 zeigt Ergebnisse einer energiedispersiven Röntgenanalyse eines Ausführungsbeispiels eines Leuchtstoffs,
• 4 zeigt einen Ausschnitt der Kristallstruktur des erfindungsgemäßen Leuchtstoffs,
• 5 zeigt eine Rietveld-Verfeinerung eines Röntgenpulverdiffraktogramms eines Leuchtstoffs,
• 6 zeigt ein Absorptions- und Emissionsspektrum eines Leuchtstoffs,
• 7, 9, 12 zeigen einen Vergleich von Emissionsspektren verschiedener Leuchtstoffe,
• 8 und 10 zeigen einen Vergleich von Kubelka-Munk-Funktionen für verschiedene Leuchtstoffe,
• 11 und 13 zeigen Vergleiche optischer Eigenschaften verschiedener Leuchtstoffe,
• 14 und 15 zeigen schematische Seitenansichten von Konversions-LEDs.
• 1 zeigt kristallographische Daten von Na_1,7Al_10,25Ga_0,35Li_0,5O₁₇: Eu²⁺ (AB1) . Die Kristallstruktur wurde anhand von Röntgenbeugungsdaten eines Einkristalls des Leuchtstoffs bestimmt und verfeinert. Die Strukturverfeinerung erfolgte unter Einbeziehung von Na, Ga, Al und O. Es wurde davon ausgegangen, dass Li, Al und Ga dieselbe kristallographische Position besetzen, so dass die Verfeinerung nur unter Einbeziehung von Ga und Al erfolgen konnte, zumal eine freie Verfeinerung von drei Atomen, die sich eine kristallographische Position teilen, nicht sinnvoll möglich ist. Durch energiedispersive Röntgenspektroskopie konnte das Vorhandensein von Ga in dem Leuchtstoff jedoch nachgewiesen werden. Die Ergebnisse sind in 3 gezeigt. Energiedispersive Röntgenspektroskopie dient dem qualitativen oder semiquantitativen Nachweis von Elementen und nicht dem quantitativen Nachweis, was die unterschiedlichen Werte der durchgeführten Messungen erklärt. Li kann aufgrund der geringen molekularen Masse nicht mittels energiedispersiver Röntgenspektroskopie nachgewiesen werden. Zudem zeigen Experimente, dass sich der Leuchtstoff AB1 ohne die Zugabe von lithiumhaltigen Edukten, insbesondere Li₂CO₃, oder Gallium haltigen Edukten, insbesondere Ga₂O₃, nicht bildet. Diese Synthesen führten vielmehr zu farblosen Produkten, die bei Anregung mit UV-Strahlung eine Sekundärstrahlung im blauen Bereich des elektromagnetischen Spektrums emittieren. Um eine Emission im grünen Spektralbereich und eine geringe Halbwertsbreite des erfindungsgemäßen Leuchtstoffs (AB)_1+2yA1_11-x-y (AC)_xLi_yO₁₇: Eu , insbesondere Na_1+2yA1_11-x-yGa_xLi_yO₁₇:Eu, zu erzielen, hat sich somit das Vorhandensein von Li und AC, insbesondere von Li und Ga, als wesentlich erwiesen.
• 2 zeigt Atomlagen in der Struktur von Na_1,7Al_10,25Ga_0,35Li_0,5O₁₇: Eu²⁺ (AB1) . Innerhalb der Struktur besetzten Li, Al und Ga die kristallographische Position Al3/Ga3.
• 3 zeigt die trigonale Kristallstruktur des Leuchtstoffs Na_1,7Al_10,25Ga_0,35Li_0,5O₁₇: Eu²⁺ einer schematischen Darstellung entlang [001]. Die Kristallstruktur setzt sich aus spinellartigen Blöcken zusammen, in denen Al, Li und Ga die Zentren (nicht dargestellt) kanten- und eckenverknüpfter Oktaeder ((Al,Li,Ga)O₆-Oktaeder und die Zentren eckenverknüpfter Tetraeder ((Al,Li,Ga)O₄-Tetraeder besetzen. Die spinellartigen Blöcke sind durch Ebenen mit frei beweglichen Na-Ionen separiert. Die Kristallstruktur ist isotyp zu der Kristallstruktur von Natrium-β "-Aluminat. Al, Li und Ga nehmen dabei denselben Platz innerhalb der Kristallstruktur ein, wie Al innerhalb der Kristallstruktur von Natrium-β "-Aluminat.
• In 5 findet sich eine kristallographische Auswertung. 5 zeigt eine Rietveld-Verfeinerung eines Röntgenpulverdiffraktogramms von AB1, also für Na_1,7Al_10,25Ga_0,35Li_0,5O₁₇: Eu²⁺. Für die Rietveld-Verfeinerung wurden die Atomparameter für Natrium-β "-Aluminat verwendet, um zu zeigen, dass die Kristallstruktur von Na_1,7Al_10,25Ga_0,35Li_0,5O₁₇: Eu²⁺ zu der von Natrium-β " -Aluminat isotyp ist. Im oberen Diagramm ist dabei die Überlagerung der gemessenen Reflexe mit den berechneten Reflexen für Na_1,7Al_10,25Ga_0,35Li_0,5O₁₇: Eu²⁺ dargestellt. Im unteren Diagramm sind die Unterschiede der gemessenen und der berechneten Reflexe dargestellt. Es werden keine Nebenphasen, insbesondere keine Nebenphasen, die Na, Ga, Li und O enthalten, beobachtet, so dass anhand des Röntgenpulverdiffraktogramms bestätigt werden kann, dass der Leuchtstoff alle eingesetzten Edukte enthält. Die Unterschiede der Intensität der Reflexe sind auf eine noch nicht vollständige Strukturaufklärung zurückzuführen.
• In 6 ist das Emissionsspektrum (ES) und das Anregungsspektrum (AS) einer Pulverprobe von AB1 mit der Summenformel Na_1,7Al_10,25Ga_0,35Li_0,5O₁₇: Eu²⁺ dargestellt. Das Anregungsspektrum wurde bei 530 nm aufgenommen. Bei einer Anregung des Leuchtstoffs mit einer Primärstrahlung von 460 nm zeigt der Leuchtstoff eine Peakwellenlänge von etwa 530 nm mit einer Halbwertsbreite von etwa 66 nm. Die Quanteneffizienz liegt bei über 90 %. Der Farbpunkt im CIE-Farbraum liegt bei den Koordinaten CIE-x:0,308 und CIE-y:0, 628 .
• In 7 ist ein Vergleich von Emissionsspektren gezeigt. Gezeigt sind die Emissionsspektren von Na_1,7Al_10,25Ga_0,35Li_0,5O₁₇: Eu²⁺ (Anregung mit einer Primärstrahlung von 460 nm), einem fünften Ausführungsbeispiel AB5 der Formel NaAl_10,5Ga_0,5O₁₇: Eu²⁺ (2 mol%) (Anregung mit einer Primärstrahlung von 400 nm)und eines Vergleichsbeispiels V1 der Formel Na_1,72Al_10,66Li_0,3O₁₇: Eu²⁺ (2 mol%) (Anregung mit einer Primärstrahlung von 400 nm). AB1, AB5 und V1 kristallisieren in einer zu Natrium-β "-Aluminat isotypen Kristallstruktur. Ein Vergleich des Leuchtstoffs Na₁, ₇Al₁₀, ₂₅Ga₀, ₃₅Li₀, ₅O₁₇ : Eu²⁺ mit NaAl_10,5Ga_0,5O₁₇: Eu²⁺ und Na_1,72Al_10,66Li_0,3O₁₇:Eu²⁺, zeigt, dass der Leuchtstoff, der sowohl Li als auch Ga enthält, eine Peakwellenlänge näher an 555 nm und eine geringere Halbwertsbreite aufweist. Dies zeigt sich im Vergleich der Emissionsspektren. NaAl₁₀, ₅Ga₀, ₅O₁₇: Eu²⁺ und Na₁, ₇₂Al₁₀, ₆₆Li₀, ₃O₁₇: Eu²⁺ zeigen eine Peakwellenlänge im blauen bis blaugrünen Bereich (λmax = 490 nm für NaAl₁₀, ₅Ga₀, ₅O₁₇: Eu²⁺ und λmax = 520 nm für Na_1,72Li_0,3Al_10,66O₁₇:Eu²⁺) mit einer Halbwertsbreite über 100 nm, während das erste Ausführungsbeispiel überraschenderweise eine Strahlung mit Peakwellenlänge im grünen Bereich (λmax = 530 nm) mit einer Halbwertsbreite von etwa 66 nm zeigt. Im Gegensatz zu Na_1,7Al_10,25Ga_0,35Li_0,5O₁₇: Eu²⁺ sind Na_1,72Li_0,3Al_10,66O₁₇:Eu²⁺ und NaAl_10,5Ga_0,5O₁₇: Eu²⁺ farblose Feststoffe.
• 9 zeigt einen Vergleich normierter Kubelka-Munk-Funktion (K/S), aufgetragen gegen die Wellenlänge λ in nm, für AB1, das fünfte Ausführungsbeispiel NaAl_10,5Ga_0,5O₁₇: Eu²⁺ (AB5) und dem Vergleichsbeispiel Na_1,72Li_0,3Al_10,66O₁₇: Eu²⁺ (V1) .
• K/S wurde dabei wie folgt berechnet:
• K/S = (1-R_inf) ²/2R_inf, wobei R_inf der diffusen Reflexion (Remission) der Leuchtstoffe entspricht. Hohe K/S-Werte bedeuten eine hohe Absorption in diesem Bereich.
• Aus 8 ist ersichtlich, dass K/S für AB1 hin zu längeren Wellenlängen weniger steil abfällt als für AB5 und V1, die ab etwa 425 nm keine Absorption mehr zeigen, während AB1 bis zu 500 nm eine signifikante Absorption aufweist. Das fünfte Ausführungsbeispiel ist im nahen UV-Bereich anregbar.
• 9 zeigt die Emissionsspektren von den Na₁,₇Al_10,25Ga₀, ₃₅Li₀, ₅O₁₇: Eu²⁺ (AB1) , Na₁, ₈Al₉, ₆GaLi₀, ₄O₁₇: Eu²⁺ (AB2) , Na₂Al₉, ₅GaLi₀, ₅O₁₇: Eu²⁺ (AB3) und Na₂Al₈, ₅Ga₂Li₀, ₅O₁₇: Eu²⁺ (AB4) . Alle Leuchtstoffe wurden mit einer Primärstrahlung von 460 nm angeregt. Überraschenderweise kann die Emissionsbande bzw. die Peakwellenlänge durch Variation des Lithium- und/oder des Gallium Gehalts verschoben werden. Insbesondere wird die Peakwellenlänge und damit auch die Dominanzwellenlänge mit steigendem Lithium- und/oder des Gallium Gehalt und somit mit größeren y- und/oder x-Werten innerhalb der Summenformel Na_1+2yAl_11-x-yGa_xLi_yO₁₇: Eu in den langwelligen Spektralbereich verschoben. Die optischen Daten sind in 10 zusammengefasst. Wie ersichtlich kann bereits innerhalb der dargestellten Ausführungsbeispiele die Peakwellenlänge (λmax) in einem Bereich von 14 nm und die Dominanzwellenlänge in einem Bereich von 23 verschoben werden. Ein höherer Gallium- und/oder Lithium Gehalt als in den dargestellten Ausführungsbeispielen führt zu Peakwellenlängen, die weiter in den langwelligen Bereich verschoben sind. Durch die Möglichkeit die Emission des Leuchtstoffs einzustellen bzw. anzupassen, ist der Leuchtstoff für viele Anwendungen interessant.
• 11 zeigt einen Vergleich normierter Kubelka-Munk-Funktionen (K/S) für AB1, AB2, AB3 und AB4. Wie ersichtlich steigt das Absorptionsvermögen im blauen Bereich des elektromagnetischen Spektrums mit zunehmendem Lithium und/oder Gallium Gehalt.
• 12 zeigt die Emissionsspektren von Pulverproben von AB1 und zwei Vergleichsbeispielen Lu₃(Al,Ga)₅O₁₂: Ce³⁺ (LuAGaG) und (Sr,Ba) ₂Si₂O₂N₂:Eu²⁺ ( (Sr, Ba) SiON) . Alle Leuchtstoffe wurden mit einer Primärstrahlung von 460 nm angeregt. Alle drei Leuchtstoffe zeigen eine ähnliche Dominanzwellenlänge im Bereich von 555 nm. Wie ersichtlich, weist der Leuchtstoff Na_1+2yAl_11-x-yGa_xLi_yO_17: Eu eine geringere Halbwertsbreite als die Vergleichsbeispiele auf. Die kleinere Halbwertsbreite führt zu einer Erhöhung der Überlappung mit der Augenempfindlichkeitskurve. Somit weist der erfindungsgemäße Leuchtstoff eine sehr hohe und im Vergleich zu den Vergleichsbeispielen höhere Lumineszenzeffizienz beziehungsweise Lichtausbeute auf. Die geringere Halbwertsbreite führt zudem zu einer gesättigteren Farbe der Sekundärstrahlung, was sich in einer höheren Farbreinheit widerspiegelt.
• In 13 ist ein Vergleich der optischen Daten von AB1 und den zwei Vergleichsbeispielen Lu₃(Al,Ga)₅O₁₂:Ce³⁺ (LuAGaG) und (Sr,Ba)₂Si2O₂N₂:Eu²⁺ ( (Sr, Ba) SiON) gezeigt. Wie ersichtlich zeigt AB1 eine relative Quanteneffizienz über 100 % und ist damit deutlich höher als die der Vergleichsbeispiele. Dies ist vor allem auch insofern bedeutend, als dass der erfindungsgemäße Leuchtstoff hinsichtlich der Synthese nicht optimiert ist.
• Die Konversions-LED gemäß 14 weist eine Schichtenfolge 2 auf, die auf einem Substrat 10 angeordnet ist. Das Substrat 10 kann beispielsweise reflektierend ausgebildet sein. Über der Schichtenfolge 2 ist ein Konversionselement 3 in Form einer Schicht angeordnet. Die Schichtenfolge 2 weist eine aktive Schicht auf (nicht gezeigt), die im Betrieb der Konversions-LED eine Primärstrahlung mit einer Wellenlänge von 420 nm bis einschließlich 500 nm emittiert. Das Konversionselement 3 ist im Strahlengang der Primärstrahlung S angeordnet. Das Konversionselement 3 umfasst ein Matrixmaterial, wie beispielsweise ein Silikon, und Partikel des Leuchtstoffs Na_1,7Al_10,25Ga_0,35Li_0,5O₁₇: Eu²⁺ mit einer mittleren Korngröße von 10 µm, der die Primärstrahlung im Betrieb der Konversions-LED zumindest teilweise in eine Sekundärstrahlung im grünen Bereich des elektromagnetischen Spektrums konvertiert. Der Leuchtstoff ist in dem Konversionselement 3 in dem Matrixmaterial im Rahmen der Herstellungstoleranz homogen verteilt. Das Konversionselement 3 ist über der Strahlungsaustrittsfläche 2a der Schichtenfolge 2 und über den Seitenflächen der Schichtenfolge 2 vollflächig aufgebracht und steht mit der Strahlungsaustrittsfläche 2a der Schichtenfolge 2 und den Seitenflächen der Schichtenfolge 2 in direktem mechanischem Kontakt. Die Primärstrahlung kann auch über die Seitenflächen der Schichtenfolge 2 austreten.
• Das Konversionselement 3 kann beispielsweise durch Spritzguss-, Spritzpress- oder durch Spray Coating-Verfahren aufgebracht werden. Zudem weist die Konversions-LED elektrische Kontaktierungen auf (nicht gezeigt), deren Ausbildung und Anordnung dem Fachmann bekannt ist.
• Die Konversions-LED 1 gemäß 15 weist ein Gehäuse 11 mit einer Ausnehmung auf. In der Ausnehmung ist eine Schichtenfolge 2 angeordnet, die eine aktive Schicht aufweist (nicht gezeigt), die im Betrieb der Konversions-LED eine Primärstrahlung mit einer Wellenlänge von 420 bis 500 nm emittiert. Das Konversionselement 3 ist als Verguss der Schichtenfolge 2 in der Ausnehmung ausgeformt und umfasst ein Matrixmaterial, wie beispielsweise ein Silikon, und einen Leuchtstoff, beispielsweise Na_1,8Al_9,6GaLi_0,4O₁₇: Eu²⁺, der die Primärstrahlung im Betrieb der Konversions-LED 1 zumindest teilweise in eine Sekundärstrahlung konvertiert, die im grünen Bereich des elektromagnetischen Spektrums liegt. Möglich ist auch, dass der Leuchtstoff in dem Konversionselement 3 räumlich über der Strahlungsaustrittsfläche 2a konzentriert ist. Dies kann beispielsweise durch Sedimentation erreicht werden.
• Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele auf diese beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.
• Bezugszeichenliste

ppm

parts per million

λdom

Dominanzwellenlänge

λmax

Peakwellenlänge

λ

Wellenlänge

FWHM

Halbwertsbreite

LER

Lichtausbeute

QEr

relative Quanteneffizienz

AS

Anregungsspektrum

ES

Emissionsspektrum

K/S

Kubelka-Munk-Funktion

t

Zeit

I

Intensität

E

Emission

LED

lichtemittierende Diode

nm

Nanometer

Im

Lumen

W

Watt

°2θ

Grad 2 Theta

1

Konversions-LED

2

Schichtenfolge/Halbleiterchip

2a

Strahlungsaustrittsfläche

3

Konversionselement

10

Substrat

11

Gehäuse

S

Strahlengang der Primärstrahlung

Claims (12)

1. Leuchtstoff mit der Summenformel (AB) _1+2yAl_11-x-y (AC) Li_yO₁₇ : E mit - 0 < x+y < 11, - x > 0, - AC = B, Ga und/oder In, - AB = Na, K, Rb und/oder Cs und - E = Eu, Ce, Yb und/oder Mn.
2. Leuchtstoff nach Anspruch 1, wobei - 0 < x+y < 5 und - y > 0.
3. Leuchtstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei - 0 < x+y < 5, - 0 < x ≤ 3 und - 0 < y ≤ 2.
4. Leuchtstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der die Summenformel Na_1+2yAl_11-x-y(AC)_xLi_yO₁₇: E aufweist, wobei - 0 < x+y < 5, - 0 < x ≤ 3 und - 0 < y ≤ 2.
5. Leuchtstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der die Summenformel Na_1+2yAl_11-x-y (Ga_1-zA_z)_xLi_yO₁₇: E aufweist, wobei - 0 ≤ z < 1, - 0 < x+y < 5, - 0 < x ≤ 3, - 0 < y ≤ 2, - A = B und/oder In und - E = Eu, Ce, Yb und/oder Mn.
6. Leuchtstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der die Summenformel Na_1+2yAl_11-x-yGa_xLi_yO₁₇ : E aufweist, wobei - 0 < x+y < 5, - 0 < x ≤ 3, - 0 < y ≤ 2, und - E = Eu, Ce, Yb und/oder Mn.
7. Leuchtstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der in einem trigonalen Kristallsystem kristallisiert.
8. Leuchtstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der in einer Raumgruppe R3m kristallisiert.
9. Verfahren zur Herstellung eines Leuchtstoffs nach einem der Ansprüche 1 bis 8 umfassend die Verfahrensschritte: A) Vermengen von Edukten des Leuchtstoffs, B) Aufheizen des unter A) erhaltenen Gemenges auf eine Temperatur T1 zwischen 1200 und 1800 °C, bevorzugt zwischen 1400 °C und 1650 °C, C) Glühen des Gemenges bei einer Temperatur T1 zwischen 1200 und 1800 °C, bevorzugt zwischen 1400 °C und 1650 °C, für 5 Stunden bis 10 Stunden.
10. Konversions-LED (1) umfassend eine Primärstrahlungsquelle, die im Betrieb der Konversions-LED (1) eine elektromagnetische Primärstrahlung emittiert und eine Konversionselement (3) umfassend einen Leuchtstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Konversionselement im Strahlengang der elektromagnetischen Primärstrahlung (S) angeordnet ist und der Leuchtstoff dazu eingerichtet ist, die elektromagnetische Primärstrahlung zumindest teilweise in eine elektromagnetische Sekundärstrahlung im blauen bis grünen Bereich des elektromagnetischen Spektrums zu konvertieren.
11. Konversions-LED (1) nach Anspruch 10, wobei die Konversions-LED (1) im Betrieb eine weiße Gesamtstrahlung emittiert und das Konversionselement (3) einen weiteren Leuchtstoff umfasst, der dazu eingerichtet ist, die elektromagnetische Primärstrahlung und/oder die elektromagnetische Sekundärstrahlung im blauen bis grünen Bereich zumindest teilweise in eine elektromagnetische Sekundärstrahlung im roten Bereich des elektromagnetischen Spektrums zu konvertieren und sich die weiße Gesamtstrahlung aus der Primär- und den Sekundärstrahlungen zusammensetzt.
12. Konversions-LED (1) nach Anspruch 10, wobei die Konversions LED (1) im Betrieb eine blaue bis grüne Gesamtstrahlung emittiert, wobei die blaue bis grüne Gesamtstrahlung der Sekundärstrahlung entspricht.

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