DE102018212890A1 - Gelber leuchtstoff und konversions-led - Google Patents

Abstract

Es wird ein Leuchtstoff angegeben. Der Leuchtstoff weist die allgemeine Summenformel ZXAlON:E auf, wobei- Z = Mg, Ca, Sr und/oder Ba,- X = Li, Na, K, Rb und /oder Cs- E = Eu, Ce, Yb und/oder Mn und 0 ≤ x ≤6.

Description

• Die Erfindung betrifft einen Leuchtstoff und eine Konversions-LED, die insbesondere den Leuchtstoff umfasst.
• Typischerweise werden in weiß emittierenden Konversions-LEDs ein Halbleiterchip, der eine blaue Primärstrahlung emittiert und ein oder mehrere Leuchtstoffe, die die Primärstrahlung teilweise in eine Sekundärstrahlung konvertieren, verwendet. Eine Überlagerung der Primär- und der Sekundärstrahlung ergibt eine weiße Gesamtstrahlung der Konversions-LED. Die praktikabelste Lösung liegt in der Verwendung eines blau emittierenden Halbleiterchips und nur eines, gelb emittierenden Leuchtstoffs.
• Bekannte gelbe Leuchtstoffe sind (Y, Gd, Tb, Lu) ₃Al₅O₁₂ : Ce Granatleuchtstoffe. Diese sind durch den hohen Anteil an Seltenen Erden vergleichsweise teuer.
• Die DE29724670 U1 offenbart eine lichtemittierende Vorrichtung und Diode.
• Die DE 102006008300 Al offenbart einen Leuchtstoff und eine Lichtquelle mit derartigem Leuchtstoff sowie ein Herstellverfahren für den Leuchtstoff.
• Die DE 102008038249 A1 offenbart einen alpha-Sialon-Leuchtstoff.
• Es besteht Bedarf an Leuchtstoffen, die eine Emission im gelben Spektralbereich aufweisen, die gegenüber dem Stand der Technik verbessert sind.
• Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Leuchtstoff anzugeben, der im gelben Spektralbereich Strahlung emittiert. Ferner ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine Konversions-LED mit dem hier beschriebenen Leuchtstoff anzugeben.
• Diese Aufgabe wird beziehungsweise diese Aufgaben werden durch einen Leuchtstoff und eine Konversions-LED gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der jeweils abhängigen Ansprüche.
• Es wird ein Leuchtstoff angegeben. Der Leuchtstoff weist die allgemeine Summenformel Z_3-0.5xX_xAl₅O₉N:E auf, wobei
• - Z = Mg, Ca, Sr und/oder Ba,
• - X = Li, Na, K, Rb und/oder Cs und
0 ≤ x ≤ 6, bevorzugt 0 < x < 3, besonders bevorzugt 0 < x ≤ 2, ganz besonders bevorzugt 0 < x ≤ 1. Der Leuchtstoff ist mit einem Aktivator E dotiert, wobei E = Eu, Ce, Yb und/oder Mn. Insbesondere ist der Aktivator für die Emission von Strahlung des Leuchtstoffs verantwortlich.
• 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.
• Die Leuchtstoffe weisen bei einer Anregung mit einer Primärstrahlung eine Emission bzw. Sekundärstrahlung mit einer Peakwellenlänge im gelben Spektralbereich auf. Die Peakwellenlänge liegt bevorzugt zwischen einschließlich 530 nm und einschließlich 580 nm.
• Als „Peakwellenlänge“ wird vorliegend die Wellenlänge im Emissionsspektrum eines Leuchtstoffs bezeichnet, bei der die maximale Intensität im Emissionsspektrum bzw. einer Emissionsbande liegt.
• Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist E zumindest Eu, bevorzugt zumindest Eu²⁺. Dabei kann Eu oder Eu²⁺ mit Ce, Yb und/oder Mn kombiniert sein. Besonders bevorzugt gilt E = Eu oder Eu²⁺. Insbesondere ersetzt E Z und/oder X, bevorzugt Z.
• Der Aktivator E kann gemäß einer weiteren Ausführungsform in Mol%-Mengen zwischen 0,1 Mol% bis 20 Mol%, 1 Mol% bis 10 Mol%, 0,5 Mol% bis 5 Mol%, 2 Mol% bis 5 Mol%, vorhanden sein. Zu hohe Konzentrationen an E können zu einem Effizienzverlust durch Konzentrationsquenching führen. Hier und im Folgenden werden Mol%-Angaben für den Aktivator E, insbesondere Eu, insbesondere als Mol%-Angaben bezogen auf die Molanteile von Z und/oder X, bevorzugt von Z im jeweiligen Leuchtstoff verstanden.
• Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Leuchtstoff die allgemeine Summenformel X₆Al₅O₉N:E auf, wobei
• - X = Li, Na, K, Rb und/oder Cs und
• - E = Eu, Ce, Yb und/oder Mn.
• Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Leuchtstoff die allgemeine Summenformel Z₃Al₅O₉N:E auf, wobei
• - Z = Mg, Ca, Sr und/oder Ba und
• - E = Eu, Ce, Yb und/oder Mn.
• Die Peakwellenlänge des Leuchtstoffs Z₃Al₅O₉N:E liegt insbesondere zwischen einschließlich 540 nm und einschließlich 570 nm.
• Es hat sich überraschenderweise herausgestellt, dass Leuchtstoffe der allgemeine Summenformel Z₃Al₅O₉N:E besonders effizient sind und zudem aus vergleichsweise kostengünstigen Edukten bei moderaten Temperaturen herstellbar sind.
• Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Leuchtstoff dazu befähigt, Primärstrahlung aus dem UV bis blauen Spektralbereich zu absorbieren und in Sekundärstrahlung zu konvertieren, die eine Peakwellenlänge zwischen einschließlich 530 nm und einschließlich 580 nm, bevorzugt zwischen einschließlich 540 nm und einschließlich 570 nm aufweist.
• Zudem weist der Leuchtstoff gemäß zumindest einer Ausführungsform eine Halbwertsbreite unter 120 nm auf. Es ist möglich, dass die Halbwertsbreite je nach Wahl der Wellenlänge der Primärstrahlung variiert.
• Unter der Halbwertsbreite (FWHM, full width at half maximum) wird hier und im Folgenden die spektrale Breite auf halber Höhe des Maximums eines Emissionspeaks bzw. einer Emissionsbande verstanden.
• Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Leuchtstoff die allgemeine Summenformel (Z_1-yZ*_y) ₃Al₅O₉N:E auf, wobei
• - Z = Ca,
• - Z* = Mg, Sr und/oder Ba,
• - 0 ≤ y ≤ 1, bevorzugt 0 < y < 1, besonders bevorzugt 0,2 ≤ y ≤ 0,8, ganz besonders bevorzugt 0,3 ≤ y ≤ 0,7 und
• - E = Eu, Ce, Yb und/oder Mn. Beispielweise ist y = 0,5.
• Es hat sich herausgestellt, dass das Vorhandensein der Erdalkalimetalle Z und Z* eine Verringerung der Halbwertsbreite der Emissionsbande zur Folge hat. Die Emissionsbande der Leuchtstoffe der allgemeinen Summenformel (Z_1-yZ*_y) ₃Al₅O₉N:E mit 0 < y < 1 weisen insbesondere eine Halbwertsbreite unter 110 nm auf.
• Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Leuchtstoff die allgemeine Summenformel (Ca_1-yMg*_y) ₃Al₅O₉N:E auf, wobei
• - 0 < y < 1, bevorzugt 0,2 ≤ y ≤ 0,8, besonders bevorzugt 0,3 ≤y ≤0,7 und
• - E = Eu, Ce, Yb und/oder Mn. Beispielweise weist der Leuchtstoff die Formel (Ca_0,5Mg_0,5) ₃Al₅O₉N:E auf.
• Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Leuchtstoff die allgemeine Summenformel (Ca_1-yMg_y) ₃Al₅O₉N:Eu auf, wobei - 0 < y < 1, bevorzugt 0,2 ≤ y ≤ 0,8, besonders bevorzugt 0,3 ≤y ≤0,7. Beispielweise weist der Leuchtstoff die Formel (Ca_0,5Mg_0,5) ₃Al₅O₉N:Eu auf.
• Es hat sich herausgestellt, dass Ca und Mg innerhalb der Kristallstruktur kristallographisch unterschiedliche Positionen einnehmen. Eu besetzt dabei bevorzugt die kristallographischen Positionen des Ca. Mit anderen Worten substituiert Eu bevorzugt Ca. Dadurch besetzt Eu nur eine kristallographische Position/Lage, was mit Vorteil eine Verringerung der Halbwertsbreite des Leuchtstoffs im Vergleich zu dem Leuchtstoff der Formel Ca₃Al₅O₉N:Eu zur Folge hat, indem Ca und damit auch Eu zwei kristallographisch unterschiedliche Positionen/Lagen besetzt.
• Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Leuchtstoff die allgemeine Summenformel Ca₃Al₅O₉N:E auf, wobei - E = Eu, Ce, Yb und/oder Mn, bevorzugt E = Eu, besonders bevorzugt E = Eu²⁺.
• Der Leuchtstoff Ca₃Al₅O₉N:Eu emittiert bei Anregung mit einer Primärstrahlung aus dem UV- bis blauen Spektralbereich eine Sekundärstrahlung mit einer Peakwellenlänge im gelben Spektralbereich, insbesondere zwischen einschließlich 545 nm und einschließlich 565 nm. Die Emissionsbande des Leuchtstoffs weist insbesondere eine Halbwertsbreite unter 115 nm und damit eine hohe Lichtausbeute infolge eines großen Überlapps mit der menschlichen Augenempfindlichkeitskurve mit einem Maximum bei 555 nm, auf. Dadurch können mit dem Leuchtstoff besonders effiziente Konversions-LEDs bereitgestellt werden.
• Gemäß zumindest einer Ausführungsform kristallisiert der Leuchtstoff in einem orthorhombischen Kristallsystem. Bevorzugt kristallisiert der Leuchtstoff in der orthorhombischen Raumgruppe Pbcm.
• Gemäß zumindest einer Ausführungsform besetzen Z oder Z und Z* zwei kristallographisch unterschiedliche Positionen/Lagen innerhalb der Kristallstruktur. Bevorzugt besetzt E nur eine dieser beiden kristallographisch unterschiedlichen Positionen. Mit Vorteil kann so die Halbwertsbreite verringert werden.
• Die Erfinder haben somit erkannt, dass ein neuartiger Leuchtstoff mit vorteilhaften Eigenschaften bereitgestellt werden kann, der bisher nicht bereitgestellt werden konnte.
• Das Verfahren zur Herstellung des Leuchtstoffs ist im Vergleich zu vielen anderen Herstellungsverfahren für Leuchtstoffe beispielweise gegenüber dem Herstellungsverfahren von gelben Granatleuchtstoffen sehr einfach durchzuführen. Insbesondere erfolgt die Synthese bei moderaten Temperaturen und ist daher sehr energieeffizient. Die Edukte sind kostengünstig kommerziell erhältlich und nicht toxisch.
• Die Erfindung betrifft ferner eine Konversions-LED. Insbesondere weist die Konversions-LED den Leuchtstoff auf. Dabei gelten alle Ausführungen und Definitionen des Leuchtstoffs auch für die Konversions-LED und umgekehrt.
• Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die Konversions-LED eine Halbleiterschichtenfolge auf. Die Halbleiterschichtenfolge ist zur Emission von elektromagnetischer Primärstrahlung eingerichtet.
• Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die Halbleiterschichtenfolge zumindest ein III-V-Verbindungshalbleitermaterial auf. Bei dem Halbleitermaterial handelt es sich zum Beispiel um ein Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial, wie Al_nIn_1-n-mGa_mN, wobei jeweils 0 ≤ n ≤ 1, 0 ≤ m ≤ 1 und n + m ≤ 1 ist. Dabei kann die Halbleiterschichtenfolge Dotierstoffe sowie zusätzliche Bestandteile aufweisen. Der Einfachheit halber sind jedoch nur die wesentlichen Bestandteile der Halbleiterschichtenfolge, also Al, Ga, In und N, angegeben, auch wenn diese teilweise durch geringe Mengen weiterer Stoffe ersetzt und/oder ergänzt sein können. Insbesondere ist die Halbleiterschichtenfolge aus InGaN geformt.
• Die Halbleiterschichtenfolge beinhaltet eine aktive Schicht mit mindestens einem pn-Übergang und/oder mit einer oder mit mehreren Quantentopfstrukturen. Im Betrieb der Beleuchtungsvorrichtung wird in der aktiven Schicht eine elektromagnetische Strahlung erzeugt. Eine Wellenlänge oder das Emissionsmaximum der Strahlung liegt bevorzugt im ultravioletten und/oder sichtbaren Bereich, insbesondere bei Wellenlängen zwischen einschließlich 300 nm und einschließlich 470 nm.
• Die Konversions-LED ist bevorzugt dazu eingerichtet, weißes oder farbiges Licht zu emittieren.
• In Kombination mit dem in der Konversions-LED vorhandenen Leuchtstoff ist die Konversions-LED bevorzugt dazu eingerichtet, in Vollkonversion gelbes Licht oder in Teil- oder Vollkonversion weißes Licht zu emittieren.
• Die Konversions-LED weist ein Konversionselement auf. Insbesondere umfasst das Konversionselement den Leuchtstoff oder besteht aus dem Leuchtstoff. Der Leuchtstoff konvertiert zumindest teilweise oder vollständig die elektromagnetische Primärstrahlung in elektromagnetische Sekundärstrahlung. Die Peakwellenlänge der Sekundärstrahlung liegt insbesondere zwischen einschließlich 530 nm und einschließlich 580 nm, bevorzugt im gelben Bereich des elektromagnetischen Spektrums.
• Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Konversionselement bzw. die Konversions-LED neben dem Leuchtstoff keinen weiteren Leuchtstoff auf. Das Konversionselement kann auch aus dem Leuchtstoff bestehen. Der Leuchtstoff kann dazu eingerichtet sein die Primärstrahlung vollständig zu konvertieren. Die Gesamtstrahlung der Konversions-LED liegt gemäß dieser Ausführungsform im gelben Bereich des elektromagnetischen Spektrums.
• Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Gesamtstrahlung der Konversions-LED eine weiße Mischstrahlung. Die, eine weiße Mischstrahlung emittierende, Konversions-LED kann bevorzugt neben dem Leuchtstoff keinen weiteren Leuchtstoff enthalten. Der Leuchtstoff ist dazu eingerichtet die Primärstrahlung teilweise zu konvertieren. Hierzu liegt die Peakwellenlänge der Primärstrahlung bevorzugt im sichtbaren blauen Spektralbereich, beispielsweise zwischen 400 nm und 470 nm. Eine Überlagerung der blauen Primärstrahlung und der gelben Sekundärstrahlung ergibt eine weiße Gesamtstrahlung der Konversions-LED. Solche Konversions-LEDs können insbesondere in der Allgemeinbeleuchtung Anwendung finden.
• Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Konversionselement neben dem Leuchtstoff einen zweiten und/oder dritten Leuchtstoff auf. Das Konversionselement kann neben dem Leuchtstoff, dem zweiten und dritten Leuchtstoff weitere Leuchtstoffe umfassen. Beispielsweise sind die Leuchtstoffe in einem Matrixmaterial eingebettet. Alternativ können die Leuchtstoffe auch in einer Konverterkeramik vorliegen.
• Die Konversions-LED kann einen zweiten Leuchtstoff zur Emission von Strahlung aus dem grünen Spektralbereich aufweisen.
• Zusätzlich oder alternativ kann die Konversions-LED einen dritten Leuchtstoff aufweisen. Der dritte Leuchtstoff kann zur Emission von Strahlung aus dem roten Spektralbereich eingerichtet sein. Mit anderen Worten kann die Konversions-LED dann zumindest drei Leuchtstoffe, den gelb emittierenden Leuchtstoff, einen rot emittierenden Leuchtstoff und einen grün emittierenden Leuchtstoff, aufweisen. Die Konversions-LED ist zur Vollkonversion oder Teilkonversion eingerichtet, wobei die Primärstrahlung bei Vollkonversion vorzugsweise aus dem UV bis blauen Spektralbereich und bei Teilkonversion aus dem blauen Bereich ausgewählt ist. Die resultierende Gesamtstrahlung der Konversions-LED ist dann insbesondere eine weiße Mischstrahlung.
• Rote und grüne Leuchtstoffe sind dem Fachmann bekannt und werden hier nicht separat aufgeführt.
• Ein zusätzlich zu dem Leuchtstoff vorhandener zweiter und oder dritter Leuchtstoff kann insbesondere den Farbwiedergabeindex (CRI, „color rendering index“) steigern. Weitere Leuchtstoffe neben dem zweiten und dem dritten Leuchtstoff sind dabei insbesondere nicht ausgeschlossen. Je höher der Farbwiedergabeindex desto echter oder naturgetreuer ist der wahrgenommene Farbeindruck.
• Ausführungsbeispiel
• Ein Ausführungsbeispiel AB des erfindungsgemäßen Leuchtstoffs mit der Summenformel Ca₃Al₅O₉N:Eu²⁺ wurde wie folgt hergestellt: CaO, Ca₃N₂, Al₂O₃, AlN und Eu₂O₃ wurden gemischt und die Mischung in einem offenen, mit einer Mo-Folie ausgekleideten Korundtiegel auf eine Temperatur von etwa 1200°C unter N₂ mit 7,5 % H₂ bis 100 % H₂ erhitzt und für 4h auf dieser Temperatur gehalten und abschließend abgekühlt.
• Die Einwaage der Edukte findet sich in nachfolgender Tabelle 1. Tabelle 1:

  Edukt	Masse / g
  Ca3N2	2,556
  CaO	0,1934
  Al2O3	0,7031
  AlN	0,8479
  Eu2O3	0,0200

• Die Edukte des Leuchtstoffs sind kommerziell erhältlich, stabil, einfach handhabbar und zudem sehr preisgünstig. Die einfache Synthese bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen macht den Leuchtstoff sehr preisgünstig in seiner Herstellung.
• Insbesondere ist der Leuchtstoff kostengünstiger herzustellen als (Y,Gd,Tb,Lu) ₃Al₅O₁₂:Ce, da die Verwendung hochpreisiger Seltenerdenelemente (Y, Gd, Tb, Lu und Ce bei (Y,Gd,Tb,Lu) ₃Al₅O₁₂:Ce) auf Eu reduziert werden kann. Auch werden die Granatleuchtstoffe üblicherweise bei Temperaturen zwischen 1400 °C und 1600 °C synthetisiert. Die Synthese des neuen Leuchtstoffs ist daher vergleichsweise energiesparend und die Produktionskosten halten sich in Grenzen.
• Nachfolgende Tabelle 2 zeigt kristallographische Daten von Ca₃Al₅O₉N:Eu²⁺. Der Leuchtstoff kristallisiert im orthorhombischen Kristallsystem in der Raumgruppe Pbcm. Tabelle 2:

  	AB
  Strukturtyp	Y3Si5N9O
  Summenformel	Ca3Al5O9N:Eu
  Kristallsystem	orthorhombisch
  Raumgruppe	Pbcm
  Gitterparameter
  a /pm	512.61(9)
  b /pm	1649.8(2)
  c /pm	1082.6(3)
  α	90
  β	90
  γ	90
  Volumen /nm3	0.9156(3)
  Dichte p /g cm-3	2.9972
  T /K	293
  Reflexe gesamt	5741
  Unabhängige Reflexe	679
  Gemessener	-6 ≤h ≤6
  Reziproker Raum	-19 ≤k ≤17
  	-12 ≤l ≤12
  Rall, wRref	4.49%, 6.86%
  GooF	1.38

• Nachfolgende Tabelle 3 zeigt Atomlagen für Ca₃Al₅O₉N:Eu²⁺ (AB) . Tabelle 3:

  Atome	Wyckoff-Position	x	y	z
  Ca1	8e	0.1886(2)	0.39409(5)	0.07721(7)
  Ca2	4d	0.2230 (2)	0.20658(6)	0.25
  Al1	4d	0.8811(3)	0.5293 (1)	0.25
  Al2	8e	0.6126(2)	0.42460 (7)	0.8951 (1)
  Al3	4d	0.7529(3)	0.33225(9)	0.25
  Al4	4c	0.6971 (3)	0.25	0
  O1	4b	0.5	0.5	0
  O2	8e	0.9018(6)	0.28259(16)	0.1223 (3)
  O3	8e	0.9559(6)	0.4304 (2)	0.8086 (3)
  O4	8e	0.4943(6)	0.33002(16)	0.9514 (3)
  O5	4d	0.9249 (8)	0.4251 (2)	0.25
  O6	4d	0.4179 (8)	0.3324 (2)	0.25
  N1	4d	0.4494 (9)	0.4339 (3)	0.75

• Nachfolgende Tabelle 4 zeigt Besetzungen und isotrope Auslenkungsparameter für Ca₃Al₅O₉N:Eu²⁺ (AB) . Tabelle 4:

  Atome	Wyckoff-Position	Besetzung	Uiso
  Ca1	8e	1	0.0119 (2)
  Ca2	4d	1	0.0125 (3)
  Al1	4d	1	0.0086 (4)
  Al2	8e	1	0.0089 (3)
  Al3	4d	1	0.0074 (4)
  Al4	4c	1	0.0075 (4)
  O1	4b	1	0.0129 (11)
  O2	8e	1	0.0103 (8)
  O3	8e	1	0.0170 (9)
  O4	8e	1	0.0117 (8)
  O5	4d	1	0.0114 (11)
  O6	4d	1	0.0110 (11)
  N1	4d	1	0.0089 (13)

• Die Kristallstruktur und die in den Tabellen 2, 3 und 4 gezeigten kristallographischen Daten wurden durch Röntgenbeugungsexperimente bestimmt. Wie aus den Tabellen 3 und 4 ersichtlich, weist die Kristallstruktur zwei kristallographisch unterschiedliche Ca-Atome (Ca1, Ca2), vier kristallographisch unterschiedliche Al-Atome (Al1, Al2, Al3, A14), sechs kristallographisch unterschiedliche O-Atome (O1, O2, O3, O4, 05, O6) und ein N-Atom (N1) auf. „Kristallographisch unterschiedliche Atome“ bedeutet dabei, dass die Atome innerhalb der Kristallstruktur kristallographisch unterschiedliche Positionen/Lagen besetzen.
• Weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Ausführungsbeispielen.
• 1 zeigt ein Emissionsspektrum eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Leuchtstoffs.
• 2 und 3 zeigen die Kristallstruktur eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Leuchtstoffs.
• 1 zeigt ein Emissionsspektrum eines Pulvers von Ca₃Al₅O₉N:Eu²⁺ (AB). Auf der x-Achse ist die Wellenlänge in Nanometern aufgetragen und auf der y-Achse die Intensität in Prozent. Der Leuchtstoff wurde zur Messung des Emissionsspektrums mit einer Primärstrahlung mit einer Peakwellenlänge von 460 nm angeregt. Der Leuchtstoff weist eine Peakwellenlänge im gelben Bereich des elektromagnetischen Spektrums auf. Die Peakwellenlänge liegt bei 550 nm und die Halbwertsbreite bei 110 nm.
• Die Kristallstruktur des Leuchtstoffs enthält zwei Lagen für Ca, mit anderen Worten besetzt Ca zwei kristallographisch unterschiedliche Positionen Ca1 und Ca2 (Tabellen 3 und 4). Da Eu Ca teilweise ersetzt, besetzt auch Eu diese zwei kristallographisch unterschiedlichen Positionen/Lagen. Diese Besetzung bzw. Anordnung des Eu resultiert in einer Emissionsbande mit einer relativ großen Halbwertsbreite von 110 nm, die aus Emissionen von beiden Positionen/Lagen zusammengesetzt ist. Durch eine geschickte Substitution einer Position/Lage, beispielweise durch Mg, ist es möglich, den Aktivator Eu gezielt auf nur eine Position anzuordnen, da Eu bevorzugt Ca ersetzt, und dadurch schmalere Halbwertsbreiten zu ermöglichen.
• Der erfindungsgemäße Leuchtstoff kann als einziger Leuchtstoff in einer Konversions-LED vorhanden sein. Hierzu liegt die Primärstrahlung vorzugsweise im sichtbaren, blauen Bereich des elektromagnetischen Spektrums, bevorzugt zwischen 400 und 470 nm. Eine Überlagerung der Primär- und der Sekundärstrahlung ergibt eine weiße Gesamtstrahlung oder Mischstrahlung.
• 2 zeigt die Kristallstruktur von Ca₃Al₅O₉N:Eu²⁺ (AB) in Blickrichtung der kristallographischen c-Achse. Die ausgefüllten Kreise repräsentieren Ca-Atome, schraffierte Tetraeder sind AlO₄ bzw. AlO₃N-Tetraeder mit Al im Zentrum und O oder N an den Ecken des Tetraeders. Gekreuzt schraffierte Kreise sind O-Atome. Unausgefüllte Kreise sind N-Atome.
• Der Leuchtstoff kristallisiert in der orthorhombischen Raumgruppe Pbcm (Y₃Si₅N₉O Strukturtyp) mit Gitterparametern von 512,61(9), 1649,8(2) und 1082,6(3) pm. Die Kristallstruktur ist aus eckenverknüpften AlO₄ und AlO₃N-Tetraedern aufgebaut, wovon fünf Tetraeder jeweils fünfgliedrige Ringe (ein fünfgliedriger Ring besteht demnach aus fünf Tetraederzentren) bilden. Es existieren zwei verschiedene Arten von fünfgliedrigen Ringen. Die erste Art ist aus zwei AlO₃N- und drei AlO₄-Tetraedern gebildet. Die zweite Art von fünfgliedrigen Ringen ist aus drei AlO₃N- und zwei AlO₄-Tetraedern gebildet. Durch die zwei Arten von fünfgliedrigen Ringen entstehen entlang [100] zwei verschiedene Arten von Kanälen, in denen sich die Calcium Atome befinden. Ca1 (siehe Tabellen 3 und 4) ist von sieben O-Atomen umgeben, wohingegen Ca2 (siehe Tabellen 3 und 4) von sieben O-Atomen und einem N-Atom umgeben ist. Ca und damit auch Eu besetzen somit zwei kristallographisch unterschiedliche Positionen/Lagen. AlO₄-Tetraeder verknüpfen über ihre Ecken maximal vier weitere Tetraeder, wobei AlO₃N-Tetraeder maximal fünf weitere Tetraeder verknüpfen (drei über die Sauerstoff-Atome und zwei weitere über das Stickstoff-Atom).
• 3 zeigt die Kristallstruktur von Ca₃Al₅O₉N:Eu²⁺ (AB) in Blickrichtung der kristallographischen a-Achse. Die kristallographisch unterschiedlichen Ca-Atome (Ca1, Ca2) sind gekennzeichnet.
• 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 Ausführungsbeispielen zusätzliche oder alternative Merkmale gemäß der Beschreibung im allgemeinen Teil aufweisen.
• Bezugszeichenliste

LED

lichtemittierende Diode

FWHM

Halbwertsbreite

ppm

Parts per Million

AB

Ausführungsbeispiel

g

Gramm

I

Intensität

Mol%

Molprozent

nm

Nanometer

°C

Grad Celsius

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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• Zitierte Patentliteratur
• DE 29724670 U1 [0004]
• DE 102006008300 [0005]
• DE 102008038249 A1 [0006]

Claims (12)

1. Leuchtstoff mit der allgemeinen Summenformel Z_3-0,5xX_xAl₅O₉N:E auf, wobei - Z = Mg, Ca, Sr und/oder Ba, - X = Li, Na, K, Rb und /oder Cs - E = Eu, Ce, Yb und/oder Mn und 0 ≤ x ≤6.
2. Leuchtstoff nach Anspruch 1 mit der allgemeinen Summenformel Z₃Al₅O₉N:E, wobei - Z = Mg, Ca, Sr und/oder Ba und - E = Eu, Ce, Yb und/oder Mn.
3. Leuchtstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit der allgemeinen Summenformel (Z_1-yZ*_y) ₃Al₅O₉N:E, wobei - Z = Ca, - Z* = Mg, Sr und/oder Ba, - 0 ≤ y ≤ 1 und E = Eu, Ce, Yb und/oder Mn.
4. Leuchtstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit der allgemeinen Summenformel (Z_1-yZ*_y) ₃Al₅O₉N:E, wobei - Z = Ca, - Z* = Mg, Sr und/oder Ba, - 0 < y < 1 und - E = Eu, Ce, Yb und/oder Mn.
5. Leuchtstoff nach Anspruch 4, wobei - 0,2 ≤ y ≤ 0,8.
6. Leuchtstoff nach Anspruch 4 oder 5, wobei - Z* = Mg.
7. Leuchtstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 3 mit der allgemeinen Summenformel Ca₃Al₅O₉N:E, wobei - E = Eu, Ce, Yb und/oder Mn.
8. Leuchtstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei E = Eu.
9. Leuchtstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der in einem orthorhombischen Kristallsystem kristallisiert.
10. Leuchtstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der in der orthorhombischen Raumgruppe Pbcm kristallisiert.
11. Konversions-LED umfassend einen Leuchtstoff gemäß zumindest einem der Ansprüche 1 bis 10.
12. Konversions-LED nach Anspruch 10 aufweisend - eine Halbleiterschichtenfolge, die zur Emission von elektromagnetischer Primärstrahlung eingerichtet ist und - ein Konversionselement, das den Leuchtstoff umfasst und zumindest teilweise die elektromagnetische Primärstrahlung in elektromagnetische Sekundärstrahlung konvertiert.

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