DE102021203336A1

DE102021203336A1 - Leuchtstoff, verfahren zur herstellung eines leuchtstoffs und strahlungsemittierendes bauelement

Info

Publication number: DE102021203336A1
Application number: DE102021203336.9A
Authority: DE
Inventors: Daniel Bichler; Johanna Strube-Knyrim; Gina Maya Achrainer; Mark Vorsthove; Frauke Philipp; Juliane Kechele; Simon Dallmeir
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2021-04-01
Filing date: 2021-04-01
Publication date: 2022-10-06

Abstract

Es wird ein Leuchtstoff mit der allgemeinen FormelRE2M2-xTxN4-xO1+x:AEangegeben, wobei- RE ausgewählt ist aus dreiwertigen Elementen,- M ausgewählt ist aus vierwertigen Elementen,- T ausgewählt ist aus dreiwertigen Elementen,- AE ausgewählt ist aus Aktivatorelementen, und es gilt 0 ≤ x ≤ 2. Weiterhin werden ein Verfahren zur Herstellung eines Leuchtstoffs sowie ein strahlungsemittierendes Bauelement angegeben.

Description

Es werden ein Leuchtstoff, ein Verfahren zur Herstellung eines Leuchtstoffs und ein strahlungsemittierendes Bauelement angegeben.
Aufgabe zumindest einer Ausführungsform ist es, einen Leuchtstoff mit verbesserten Eigenschaften anzugeben. Aufgaben weiterer Ausführungsformen sind es, ein Verfahren zur Herstellung eines Leuchtstoffs mit verbesserten Eigenschaften sowie ein strahlungsemittierendes Bauelement aufweisend einen Leuchtstoff mit verbesserten Eigenschaften anzugeben. Diese Aufgaben werden durch einen Leuchtstoff, ein Verfahren und ein strahlungsemittierendes Bauelement gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst.
Es wird ein Leuchtstoff angegeben. Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Leuchtstoff die allgemeine Formel RE₂M_2-xT_xN_4-xO_1+x : AE auf, wobei

- RE ausgewählt ist aus dreiwertigen Elementen,
- M ausgewählt ist aus vierwertigen Elementen,
- T ausgewählt ist aus dreiwertigen Elementen,
- AE ausgewählt ist aus Aktivatorelementen, und es gilt 0 ≤ x ≤ 2.

Unter dem Begriff „Leuchtstoff“ wird hier und im Folgenden ein Wellenlängenkonversionsstoff verstanden, also ein Material, das zur Absorption und Emission von elektromagnetischer Strahlung eingerichtet ist. Insbesondere absorbiert der Leuchtstoff elektromagnetische Strahlung, die ein anderes Wellenlängenmaximum als die von dem Leuchtstoff emittierte elektromagnetische Strahlung aufweist. Beispielsweise absorbiert der Leuchtstoff Strahlung mit einem Wellenlängenmaximum bei kleineren Wellenlängen als das Emissionsmaximum und emittiert somit Strahlung mit einem in Richtung Rot verschobenen Emissionsmaximum. Reine Streuung oder reine Absorption werden vorliegend nicht als wellenlängenkonvertierend verstanden.
Hier und im Folgenden werden Leuchtstoffe mit Summenformeln beschrieben. Es ist bei den angegebenen Formeln möglich, dass der Leuchtstoff weitere Elemente etwa in Form von Verunreinigungen aufweist, wobei diese Verunreinigungen zusammengenommen mit einem Anteil von höchstens 1 Promille, insbesondere höchstens 100 ppm (parts per million), bevorzugt höchstens 10 ppm in dem Leuchtstoff vorhanden sind.
Der Leuchtstoff setzt sich aus Elementen zusammen, die in dem Leuchtstoff als Ionen, also Anionen oder Kationen vorliegen. Hier und im Folgenden werden die Bestandteile des Leuchtstoffs, RE, T, M, N, O und AE, sowohl als Elemente als auch als Ionen bzw. Kationen oder Anionen bezeichnet. Die Angabe von konkreten Elementen erfolgt dabei der Übersichtlichkeit halber nicht notwendigerweise mit der Angabe der Ladung. Insbesondere liegen RE, M, T und AE als Kation vor, während N und O als Anion vorliegen.
RE, M, T und AE umfassen gemäß einer Ausführungsform unterschiedliche Elemente bzw. Ionen.
Mit dem Begriff „Wertigkeit“ in Bezug auf ein bestimmtes Element ist vorliegend gemeint, wie viele Elemente mit einfacher entgegengesetzter Ladung in einer chemischen Verbindung benötigt werden, um einen Ladungsausgleich zu erzielen. Somit umfasst der Begriff „Wertigkeit“ die Ladungszahl des Elements.
Dreiwertige Elemente sind Elemente mit der Wertigkeit drei. Dreiwertige Elemente sind häufig in chemischen Verbindungen dreifach positiv geladen und besitzen eine Ladungszahl von +3. Ein Ladungsausgleich in einer chemischen Verbindung kann beispielsweise über ein Element, das dreifach negativ geladen ist, oder durch drei Elemente, die einfach negativ geladen sind, stattfinden. Dreiwertige Elemente sind vorliegend beispielsweise ausgewählt aus der Gruppe gebildet durch Bor, Aluminium, Gallium sowie der seltenen Erden.
Vierwertige Elemente sind Elemente mit der Wertigkeit vier. Vierwertige Elemente sind häufig in chemischen Verbindungen vierfach positiv geladen und besitzen eine Ladungszahl von +4. Ein Ladungsausgleich in einer chemischen Verbindung kann beispielsweise über ein Element, das vierfach negativ geladen ist, durch zwei Elemente, die zweifach negativ geladen sind, oder vier Elemente, die einfach negativ geladen sind, stattfinden. Vierwertige Elemente sind vorliegend beispielsweise ausgewählt aus der Gruppe gebildet durch Silizium, Zinn und Germanium.
Der vorliegende Leuchtstoff weist Sauerstoff und/oder Stickstoff als Anionen auf. Sauerstoff und/oder Stickstoff dienen dabei als Anionen zum Ladungsausgleich der Kationen. Die Sauerstoffanionen und die Stickstoffanionen sind im Kristallgitter nahezu beliebig gegenseitig austauschbar.
Der Leuchtstoff kann insbesondere ein kristallines, beispielsweise keramisches Wirtsgitter, in das Fremdelemente als Aktivatorelemente AE eingebracht sind, aufweisen. Bei dem Leuchtstoff handelt es sich beispielsweise um ein keramisches Material.
Das Aktivatorelement AE verändert die elektronische Struktur des Wirtsgitters insofern, dass elektromagnetische Strahlung eines ersten Wellenlängenbereichs von dem Leuchtstoff absorbiert werden kann. Diese sogenannte Primärstrahlung kann in dem Leuchtstoff einen elektronischen Übergang anregen, der unter Aussenden von elektromagnetischer Strahlung eines zweiten Wellenlängenbereichs (Sekundärstrahlung) wieder in den Grundzustand übergehen kann. Das Aktivatorelement, das in das Wirtsgitter eingebracht ist, ist somit für die wellenlängenkonvertierenden Eigenschaften des Leuchtstoffs verantwortlich.
Das kristalline Wirtsgitter ist insbesondere aus einer sich in der Regel periodisch wiederholenden dreidimensionalen Elementarzelle aufgebaut. Mit anderen Worten handelt es sich bei der Elementarzelle um die kleinste wiederkehrende Einheit des kristallinen Wirtsgitters. Die Elemente RE, M, T, O und N besetzen darin jeweils festgelegte Plätze, sogenannte Punktlagen, der dreidimensionalen Elementarzelle des Wirtsgitters. Weiterhin besetzen das Aktivatorelement AE und das dreiwertige Element RE äquivalente Punktlagen. Mit anderen Worten befindet sich entweder AE oder RE auf dem Platz, der durch die Punktlage des Elements RE einer Elementarzelle beschrieben wird.
Der hier beschriebene Leuchtstoff zeichnet sich durch eine hohe Stabilität, insbesondere gegenüber hohen Leistungen einer Primärenergiequelle und hohen Bestrahlungsstärken, aus. Das kann beispielsweise dadurch erklärt werden, dass der angeregte Zustand des hier eingesetzten Aktivatorelements AE eine geringere Verweilzeit aufweist als beispielsweise der angeregte Zustand eines Leuchtstoffs mit Eu²⁺ als Aktivatorelement, wie beispielsweise (Sr,Ba)Si₂O₂N₂:Eu²⁺ oder (β-SiAlON:Eu²⁺. Je höher die Verweilzeit im angeregten Zustand ist, desto mehr Aktivatorelemente befinden sich gleichzeitig im angeregten Zustand, der durch die Absorption eines anregenden Photons erreicht wurde. Entsprechend stehen einerseits weniger Aktivatorelemente zur Verfügung, die sich noch nicht im angeregten Zustand befinden, also für eine Absorption zur Verfügung stehen. Andererseits erhöhen viele Aktivatorelemente, die sich im angeregten Zustand befinden und eine hohe Verweildauer in diesem angeregten Zustand aufweisen, die Wahrscheinlichkeit von Prozessen, die zum Zerfall dieses angeregten Zustands ohne Aussendung eines Photons, also ohne Emission, führen. Ein solcher Effekt, der auch Quenching genannt wird, führt zu einer Verringerung der Quanteneffizienz. Während Eu²⁺ eine typische Lebensdauer für den angeregten Zustand im Bereich von 1 bis 10 pm aufweist, beträgt eine typische Lebensdauer im angeregten Zustand von beispielsweise Ce³⁺ unter 100 ns. Bei Eu²⁺ aktivierten Leuchtstoffen treten Quenchingeffekte somit beispielsweise bereits bei niedrigen Bestrahlungsstärken um die 100 mW/mm² auf, womit sie nicht dazu geeignet sind, effizient beispielsweise blaue Primärstrahlung in blau-grüne Sekundärstrahlung umzuwandeln. Im Gegensatz dazu weist der hier beschriebene Leuchtstoff mit dem Aktivatorelement AE geringere Quenchingeffekte auch bei hohen Bestrahlungsstärken auf und kann damit mit hoher Quanteneffizienz bei höheren Bestrahlungsstärken eingesetzt werden als Eu²⁺-aktivierte Leuchtstoffe. Ein hier beschriebener Leuchtstoff kann somit zu effizienteren und/oder einfacheren und damit günstigeren Lösungen für verschiedene Anwendungen beitragen.
Durch geeignete Wahl der Elemente RE, M, T und AE sowie die Einstellung von x können die Absorptions- und Emissionseigenschaften des Leuchtstoffs eingestellt werden. Somit kann insbesondere eine Anpassbarkeit der Emissionswellenlänge des Leuchtstoffs erhalten werden, womit ein den Leuchtstoff enthaltendes Bauelement für die gewünschte Anwendung maßgeschneidert werden kann.
Die Absorptionswellenlänge des Leuchtstoffs kann beispielsweise im blauen Spektralbereich, insbesondere im Bereich von einschließlich 400 nm bis einschließlich 520 nm, bevorzugt von einschließlich 405 nm bis einschließlich 480 nm, liegen. Insbesondere bei Anregung im blauen Spektralbereich kann die Sekundärstrahlung des Leuchtstoffs, je nach gewähltem AE, beispielsweise im blau-grünen bis grünen Spektralbereich liegen, insbesondere mit einer Peakwellenlänge λ_max im Bereich von 480 nm bis einschließlich 550 nm.
Die genaue Emissionswellenlänge des Leuchtstoffs kann weiterhin abhängig von der Anregungswellenlänge sein. Bei Einsatz des Leuchtstoffs in einem strahlungsemittierenden Bauelement kann somit über die Veränderung der Anregungswellenlänge, die beispielsweise durch Veränderung der Bestromung oder durch Einsatz von wenigstens zwei verschiedenen, Primärstrahlung emittierenden Halbleiterchips erreichbar ist, zum Beispiel eine Farbveränderung der emittierten Strahlung erreicht werden.
Wird die Zusammensetzung des Leuchtstoffs so gewählt, dass er im blau-grünen bis grünen Spektralbereich emittiert, kann er gut in menschenzentrierten Beleuchtungskonzepten (Human Centric Lighting) zum Einsatz kommen. Beleuchtungsquellen zeigen neben ihrer visuellen Beleuchtungsfunktion auch eine nicht-visuelle Wechselwirkung mit dem menschlichen Körper. Eine gezielte Optimierung des Emissionsspektrums einer Beleuchtungsquelle kann die physiologische Wirkung des Lichts auf den Menschen also verändern, insbesondere verbessern. Viele dieser Wirkungen, wie zum Beispiel gesteigerte Aufmerksamkeit und Wachheit werden der Aktivierung des Melanopsin enthaltenden Photorezeptors im menschlichen Auge zugeschrieben. Eine gezielte Anregung dieses Photorezeptors kann durch eine Beleuchtungsquelle erreicht werden, die einen hohen blaugrünen bis grünen Anteil im Spektrum aufweist. Eine solche Beleuchtungsquelle kann durch Verwendung des hier beschriebenen Leuchtstoffs erhalten werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Leuchtstoff ein Wirtsgitter mit einer Elementarzelle auf, die ein Volumen V=n*x*V₀ aufweist, wobei n eine natürliche Zahl ist, 0,95 ≤ x ≤ 1,05 ist und V₀ = 0,47375(3) nm³ ist. Ein solches Volumen ist charakteristisch für die Kristallstruktur des hier beschriebenen Leuchtstoffs.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Wirtsgitter Gitterparameter a, b, c, α, β und y auf.
Zur Beschreibung einer dreidimensionalen Elementarzelle des kristallinen Wirtsgitters werden üblicherweise sechs Gitterparameter benötigt, drei Längen a, b und c und drei Winkel α, β und γ. Die drei Gitterparameter a, b und c sind die Längen der Gittervektoren, die die Elementarzelle aufspannen. Die weiteren drei Gitterparameter α, β und γ sind die Winkel zwischen diesen Gittervektoren, α ist der Winkel zwischen b und c, β ist der Winkel zwischen a und c und γ ist der Winkel zwischen a und b.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Gitterparameter a aus dem Bereich von einschließlich 538 pm bis einschließlich 570 pm, insbesondere aus dem Bereich von einschließlich 545 pm bis einschließlich 560 pm ausgewählt. Der Gitterparameter a kann beispielsweise 553,63(1) pm betragen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Gitterparameter b aus dem Bereich von einschließlich 538 pm bis einschließlich 570 pm, insbesondere aus dem Bereich von einschließlich 545 pm bis einschließlich 560 pm ausgewählt. Der Gitterparameter b kann beispielsweise 553,63(1) pm betragen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Gitterparameter c aus dem Bereich von einschließlich 1530 pm bis einschließlich 1560 pm, insbesondere aus dem Bereich von einschließlich 1540 pm bis einschließlich 1550 pm ausgewählt. Der Gitterparameter c kann beispielsweise 1545,63(6) pm betragen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die Winkel α, β und γ aus dem Bereich von einschließlich 85° bis einschließlich 95°, insbesondere aus dem Bereich von einschließlich 88° bis einschließlich 92°, ausgewählt. Beispielsweise betragen die Winkel α, β und γ jeweils ungefähr 90°.
Sind die Gitterparameter derart ausgewählt, begünstigt das die oben erwähnten Eigenschaften des hier beschriebenen Leuchtstoffs.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Wirtsgitter eine tetragonale Raumgruppe auf. In weiteren Ausführungsformen sind auch von der tetragonalen Raumgruppe ableitbare Untergruppen, beispielsweise orthorhombische Raumgruppen, denkbar.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Wirtsgitter die tetragonale Raumgruppe P4₃ auf. Mit anderen Worten kristallisiert der Leuchtstoff gemäß einer Ausführungsform in der tetragonalen Raumgruppe P4₃.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Leuchtstoff ein Wirtsgitter auf, das A-zentrierte [AX_4]-Tetraeder umfasst, wobei A aus M und T ausgewählt ist und X aus O und N ausgewählt ist. Die Tetraeder werden somit in Abhängigkeit der Zusammensetzung des Leuchtstoffs von vier O-Atomen, vier N-Atomen oder einer Mischung von vier O- und N-Atomen aufgespannt. Unter „A-zentriert“ ist in diesem Zusammenhang zu verstehen, dass sich A-Atome jeweils in der Tetraederlücke befinden, die sich durch die Bildung des von den O- und/oder N-Atomen gebildeten Tetraeders ergibt. Die vier O- und/oder N-Atome können dabei jeweils einen ähnlichen oder gleichen Abstand zu dem A-Atom aufweisen.
Die [AX_4]-Tetraeder sind gemäß einer Ausführungsform jeweils über drei Ecken zu weiteren [AX₄]-Tetraedern verknüpft und bilden eine Raumnetzstruktur. Drei der vier Ecken eines [AX₄]-Tetraeders sind somit jeweils mit einem weiteren [AX₄]-Tetraeder verknüpft. Durch diese Verknüpfung ergibt sich ein dreidimensional unendlich ausgedehntes Raumnetz aus [AX₄]-Tetraedern. Der Leuchtstoff kristallisiert somit in einer Raumnetzstruktur aus eckenverknüpften, A-zentrierten [AX₄]-Tetraedern. Die mittleren Bindungsabstände in den Tetraedern können dabei aus dem Bereich von einschließlich 160 pm bis einschließlich 180 pm ausgewählt sein.
Diese Raumnetzstruktur weist Kanäle auf, in denen dreiwertige RE Elemente bzw. Aktivatorelemente vorhanden sind.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist RE ausgewählt aus den Seltenerdmetallen Y, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Th, Yb, Lu und Kombinationen daraus. Somit ist RE in dem Leuchtstoff ein dreiwertiges Seltenerdmetallion, das ausgewählt ist aus Y, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Th, Yb, Lu und Kombinationen daraus.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist RE ausgewählt aus La, Sm, Pr, Nd und Pm und Kombinationen daraus. Somit ist RE ausgewählt aus dreiwertigem La, Sm, Pr, Nd und Pm und Kombinationen daraus. Insbesondere kann RE dreiwertiges La sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist M ausgewählt aus Si, Ge, Sn und Kombinationen daraus. Insbesondere kann M vierwertiges Si sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist T ausgewählt aus Al, Ga, B und Kombinationen daraus. Insbesondere kann T dreiwertiges Al sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist AE ausgewählt aus dreiwertigen Elementen. Dreiwertige Aktivatorelemente tragen insbesondere zur hohen Stabilität des Leuchtstoffs und zu gegenüber herkömmlichen Leuchtstoffen verringerten Quenchingeffekten auch bei hohen Bestrahlungsstärken bei.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist AE ausgewählt aus Ce, Sm, Eu und Kombinationen daraus. Diese können in verschiedenen Wertigkeiten in dem Leuchtstoff vorhanden sein. Insbesondere ist das Aktivatorelement AE ausgewählt aus dreiwertigem Ce, dreiwertigem Sm, dreiwertigem Eu und Kombinationen daraus. Insbesondere kann AE dreiwertiges Ce sein. Mit Ce³⁺ als Aktivatorelement kann beispielsweise ein Leuchtstoff bereitgestellt werden, der als Sekundärstrahlung im blaugrünen bis grünen Spektralbereich emittiert. Wird beispielsweise Sm³⁺ als Aktivatorelement ausgewählt, kann ein Leuchtstoff bereitgestellt werden, der im roten Spektralbereich emittiert. Diese Aktivatorelemente tragen insbesondere zur hohen Stabilität des Leuchtstoffs und zu geringen Quenchingeffekten auch bei hohen Bestrahlungsstärken bei.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Leuchtstoff die Formel La₂Si_2-xAl_xN₄-_xO_1+x: Ce³⁺ auf. Ein solcher Leuchtstoff weist gegenüber üblichen Systemen verringerte Quenchingeffekte auch bei hohen Bestrahlungsstärken auf und eignet sich insbesondere gut für den Einsatz in Human Centric Lighting Anwendungen. Zudem bedingt er in weißes Licht emittierenden Bauelementen, beispielsweise LEDs, einen hohen Farbwiedergabeindex durch Auffüllung der Cyan-Lücke.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist AE einen Anteil aus dem Bereich von einschließlich 0,1 Atom% bis zu einschließlich 10 Atom% in Bezug auf RE auf.
Es wird weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines Leuchtstoffs angegeben. Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird mit dem Verfahren ein Leuchtstoff mit der allgemeinen Formel RE₂M_2-xT_xN₄-_xO_1+x : AE hergestellt, wobei

Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das Verfahren die Schritte

- Bereitstellen eines Gemenges von Edukten, die aus einer Gruppe ausgewählt sind, die Oxide, Nitride, Carbonate, Nitrate, Oxalate, Citrate und Hydroxide jeweils von RE, M, T und AE und Kombinationen daraus umfasst,
- homogenes Vermengen der Edukte,
- Erhitzen der Edukte auf eine Temperatur, die aus dem Bereich einschließlich 1000°C bis einschließlich 2500°C ausgewählt ist.

Das Erhitzen der Edukte auf die erhöhte Temperatur bewirkt die Umsetzung der Edukte zu dem Leuchtstoff. Die exakte Temperatur, die zur Umsetzung der Edukte gewählt werden muss,hängt dabei von der genauen Zusammensetzung des Leuchtstoffs ab.
Mit dem Verfahren kann insbesondere ein wie oben beschriebener Leuchtstoff hergestellt werden. Sämtliche in Verbindung mit dem Leuchtstoff offenbarten Merkmale und Ausführungsformen gelten somit auch für das Verfahren und umgekehrt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird ein Gemenge eines Oxids von AE und von Nitriden von RE, M und T bereitgestellt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird das homogene Vermengen der Edukte mit einem Werkzeug durchgeführt, das ausgewählt ist aus einem Handmörser, einer Mörsermühle, einer Kugelmühle und einem Mehrachsmischer. Andere, zum homogenen Vermengen geeignete Werkzeuge sind ebenso denkbar.
Nach dem Vermengen können die Edukte in einen Tiegel, beispielsweise einen Wolframtiegel, überführt werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform erfolgt das Erhitzen der Edukte unter reduzierenden Bedingungen, beispielsweise in N₂-Atmosphäre oder in N₂-Atmosphäre, die bis zu 5% H₂ enthält.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform erfolgt das Erhitzen der Edukte bei einem Druck, der aus dem Bereich einschließlich 5 bar bis einschließlich 15 bar, insbesondere einschließlich 8 bar bis einschließlich 12 bar, beispielsweise 10 bar, ausgewählt ist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform erfolgt das Erhitzen der Edukte für einen Zeitraum, der aus dem Bereich 8 Stunden bis 16 Stunden, insbesondere 10 Stunden bis 14 Stunden, beispielsweise 12 Stunden ausgewählt ist.
Die Temperatur, auf die die Edukte erhitzt werden, ist gemäß einer Ausführungsform ausgewählt aus dem Bereich einschließlich 1200°C bis einschließlich 2300°C, insbesondere einschließlich 1500°C bis einschließlich 1900°C, beispielsweise 1700°C.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird der durch das Erhitzen erhaltene Leuchtstoff abgekühlt und vermahlen. Das Vermahlen kann mit einem Werkzeug durchgeführt werden, das ausgewählt ist aus Handmörser, Mörsermühle, Kugelmühle und vergleichbaren Werkzeugen. Der erhaltene Leuchtstoff liegt somit in Pulverform vor. Korngrößen des pulverförmigen Leuchtstoffs können beispielsweise zwischen 1 und 30 pm liegen.
Es wird weiterhin ein strahlungsemittierendes Bauelement angegeben. Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das strahlungsemittierende Bauelement

- einen Halbleiterchip (10), der im Betrieb elektromagnetische Strahlung eines ersten Wellenlängenbereichs von einer Strahlungsaustrittsfläche (11) emittiert, und
- ein Konversionselement (20), das zumindest einen ersten Leuchtstoff aufweist, der elektromagnetische Strahlung des ersten Wellenlängenbereichs in elektromagnetische Strahlung eines zweiten Wellenlängenbereichs konvertiert, wobei der erste Leuchtstoff die allgemeine Formel

RE₂M_2-xT_xN_4-xO_1+x : AE

- RE ausgewählt ist aus dreiwertigen Elementen,
- M ausgewählt ist aus vierwertigen Elementen,
- T ausgewählt ist aus dreiwertigen Elementen,
- AE ausgewählt ist aus Aktivatorelementen,und es gilt 0 ≤ x ≤ 2.

Der oben beschriebene Leuchtstoff ist insbesondere zur Verwendung in einem strahlungsemittierenden Bauelement geeignet und vorgesehen. Merkmale und Ausführungsformen, die in Verbindung mit dem Leuchtstoff und/oder dem Verfahren zur Herstellung eines Leuchtstoffs beschrieben sind, gelten somit ebenso für das strahlungsemittierende Bauelement, insbesondere den ersten Leuchtstoff des strahlungsemittierenden Bauelements, und umgekehrt.
Die elektromagnetische Strahlung des ersten Wellenlängenbereichs bildet das Emissionsspektrum des Halbleiterchips aus und wird auch als Primärstrahlung bezeichnet.
Bei dem Halbleiterchip handelt es sich zum Beispiel um einen Leuchtdiodenchip oder einen Laserdiodenchip. Das Bauelement kann somit eine LED oder ein Laser sein. Bevorzugt weist der Halbleiterchip eine epitaktisch gewachsene Halbleiterschichtenfolge mit einer aktiven Zone auf, die dazu geeignet ist, elektromagnetische Strahlung zu erzeugen. Hierzu weist die aktive Zone beispielsweise einen pn-Übergang, eine Doppelheterostruktur, ein Einfachquantentopf- oder eine Mehrfachquantentopfstruktur auf.
Der Halbleiterchip kann im Betrieb elektromagnetische Strahlung beispielsweise aus dem ultravioletten Spektralbereich und/oder aus dem sichtbaren Spektralbereich, insbesondere aus dem blauen Spektralbereich aussenden. Die Primärstrahlung weist somit beispielsweise Wellenlängen aus dem Bereich 400 nm bis 500 nm auf. In dem Bauelement können auch zwei oder mehrere Halbleiterchips, insbesondere voneinander verschiedene Halbleiterchips, vorhanden sein, die Primärstrahlung unterschiedlicher Wellenlängen emittieren.
Der erste Leuchtstoff in dem Konversionselement wandelt elektromagnetische Strahlung des ersten Wellenlängenbereichs in elektromagnetische Strahlung eines zweiten Wellenlängenbereichs um. Die elektromagnetische Strahlung des zweiten Wellenlängenbereichs bildet das Emissionsspektrum des Leuchtstoffs aus und wird auch als Sekundärstrahlung bezeichnet.
Unter „zumindest ein erster Leuchtstoff“ ist zu verstehen, dass in dem Konversionselement auch eine Leuchtstoffmischung, enthaltend neben dem ersten Leuchtstoff auch einen zweiten, dritten usw. Leuchtstoff, vorhanden sein kann. Dabei weist mindestens der erste Leuchtstoff eine Zusammensetzung gemäß der oben genannten allgemeinen Formel auf. Eine Leuchtstoffmischung weist insbesondere voneinander verschiedene Leuchtstoffe auf. Ein zweiter Leuchtstoff kann somit die elektromagnetische Strahlung des ersten Wellenlängenbereichs in elektromagnetische Strahlung eines dritten Wellenlängenbereichs konvertieren, ein dritter Leuchtstoff kann die elektromagnetische Strahlung des ersten Wellenlängenbereichs in elektromagnetische Strahlung eines vierten Wellenlängenbereichs konvertieren usw.
Wenn im Folgenden von dem Leuchtstoff die Rede ist, ist der erste Leuchtstoff gemeint, auch wenn das nicht explizit angegeben ist.
Die elektromagnetische Strahlung des zweiten Wellenlängenbereichs ist von dem ersten Wellenlängenbereich zumindest teilweise verschieden. Der Leuchtstoff, der in dem Konversionselement enthalten ist oder aus dem das Konversionselement besteht, verleiht dem Konversionselement wellenlängenkonvertierende Eigenschaften. Beispielsweise wandelt das Konversionselement die elektromagnetische Strahlung des Halbleiterchips lediglich teilweise in elektromagnetische Strahlung des zweiten Wellenlängenbereichs um, während ein weiterer Teil der elektromagnetischen Strahlung des Halbleiterchips von dem Konversionselement transmittiert wird. Das strahlungsemittierende Bauelement emittiert in diesem Fall Mischlicht, das sich aus elektromagnetischer Strahlung des ersten Wellenlängenbereichs und elektromagnetischer Strahlung des zweiten Wellenlängenbereichs zusammensetzt. Das Mischlicht umfasst beispielsweise weißes Licht. Erfolgt eine vollständige Konversion der Primärstrahlung durch das Konversionselement und/oder findet keine Transmission von Primärstrahlung durch das Konversionselement statt, bezeichnet man das als Vollkonversion. In diesem Fall emittiert das strahlungsemittierende Bauelement die von dem Konversionselement emittierte Sekundärstrahlung. Für den Fall, dass das Konversionselement eine Leuchtstoffmischung enthält, setzt sich dementsprechend das Mischlicht aus erstem, zweiten, dritten usw. Wellenlängenbereich zusammen. Im Falle einer Vollkonversion emittiert ein solches Bauelement dann Mischlicht, das sich aus zweitem, dritten, vierten usw. Wellenlängenbereich zusammensetzt.
Durch Veränderung der exakten Zusammensetzung des Leuchtstoffs in dem Konversionselement kann die Lage und Form der Sekundärstrahlung variiert werden, was zu einer großen Flexibilität bei der Anwendung des strahlungsemittierenden Bauelements führt. Weiterhin kann die Sekundärstrahlung abhängig von der Primärstrahlung sein, was beispielsweise eine Farbsteuerung in dem Bauelement ermöglicht, wenn beispielsweise zwei verschiedene Halbleiterchips zur Anregung des Leuchtstoffs verwendet werden.
Enthält das Konversionselement eine Leuchtstoffmischung, so kann die Lage und Form der Gesamtemission durch die Zusammensetzung der Leuchtstoffmischung, also die Auswahl der verschiedenen Leuchtstoffe und deren Anteile in der Leuchtstoffmischung, variiert werden.
Aufgrund der Beschaffenheit des ersten Leuchtstoffs wie oben beschrieben, kann der Halbleiterchip mit einer hohen Bestrahlungsstärke betrieben werden, wobei verringerte Quenchingeffekte auftreten im Vergleich zu Quenchingeffekten bei Verwendung von herkömmlichen Leuchtstoffen bei vergleichbaren Bestrahlungsstärken. Somit handelt es sich bei dem strahlungsemittierenden Bauelement um ein besonders effizientes Bauelement.
Wenn das Konversionselement eine Leuchtstoffmischung enthält, weist das Bauelement aufgrund der Verwendung des hier beschriebenen Leuchtstoffs zudem einen hohen Farbwiedergabeindex auf, insbesondere durch Auffüllung der Cyan-Lücke.
Weiterhin kann, wenn die Zusammensetzung des Leuchtstoffs so gewählt wird, dass er im blaugrünen bis grünen Spektralbereich emittiert, ein solches strahlungsemittierendes Bauelement Anwendung in menschenzentrierten Beleuchtungskonzepten finden, die neben der rein visuellen auch nicht-visuelle Wirkungen von Licht mitberücksichtigen. Durch Beleuchtung mit einem strahlungsemittierenden Bauelement, das den hier beschriebenen Leuchtstoff enthält, kann der Melanopsin enthaltende Photorezeptor im Auge aktiviert werden und so eine gesteigerte Aufmerksamkeit und Wachheit bei dem Betrachter bewirkt werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform hängt der zweite Wellenlängenbereich von dem ersten Wellenlängenbereich ab. Somit weist der Leuchtstoff eine Emission auf, die nicht nur durch die exakte Zusammensetzung des Leuchtstoffs, sondern auch durch die Anregungswellenlänge, also die von dem Halbleiterchip emittierte Strahlung, einstellbar ist. Die Abhängigkeit der Emission des Leuchtstoffes von der Anregungswellenlänge bietet eine Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten für das strahlungsemittierende Bauelement. So ist beispielsweise eine Farbsteuerung des Bauelements, das beispielsweise als LED ausgebildet ist, durch Veränderung der Anregungswellenlänge, welche beispielsweise durch Veränderung der Bestromung bzw. Verwendung verschiedener Halbleiterchips erreichbar ist, denkbar.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Halbleiterchip eine Bestrahlungsstärke von mindestens 0,5 W/mm² auf, insbesondere von mindestens 0,7 W/mm², beispielsweise von mindestens 1 W/mm². Damit kann der hier beschriebene Leuchtstoff bei Bestrahlungsstärken eingesetzt werden, die auch mehr als eine Größenordnung oberhalb der Bestrahlungsstärken sind, bei denen herkömmliche, beispielsweise Eu²⁺-aktivierte Leuchtstoffen Quenchingeffekte zeigen. Aufgrund der Beschaffenheit des hier beschriebenen Leuchtstoffs weist dieser eine hohe Stabilität gegenüber hohen Bestrahlungsstärken auf, was bedeutet, dass er auch bei hohen Bestrahlungsstärken gegenüber herkömmlichen Systemen verringerte Quenchingeffekte aufweist. Somit weist das strahlungsemittierende Bauelement eine hohe Effizienz auf und ist auch in High Power Anwendungen einsetzbar, wie zum Beispiel in Fernlichtern von Autos.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die elektromagnetische Strahlung des zweiten Wellenlängenbereichs ein Emissionsspektrum mit einer Dominanzwellenlänge λ_dom auf, die aus dem Bereich 500 nm bis 580 nm ausgewählt ist. Unter der Dominanzwellenlänge λ_dom ist eine integrale Größe zu verstehen, die die Farbe der emittierten Strahlung wiedergibt, die von dem menschlichen Auge wahrgenommen wird. Im Allgemeinen weicht die Dominanzwellenlänge von dem Emissionsmaximum ab. Der Leuchtstoff weist eine solche Dominanzwellenlänge insbesondere bei Anregung mit blauer und/oder ultravioletter Primärstrahlung auf.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die elektromagnetische Strahlung des zweiten Wellenlängenbereichs ein Emissionsspektrum mit einem Maximum im blaugrünen bis grünen Spektralbereich auf. Insbesondere weist es ein solches Emissionsmaximum bei Anregung mit blauer und/oder ultravioletter Primärstrahlung auf. Beispielsweise liegt das Emissionsmaximum des Leuchtstoffs zwischen einschließlich 500 nm und einschließlich 550 nm, insbesondere zwischen einschließlich 510 nm und einschließlich 530 nm. Das Emissionsmaximum ist die Wellenlänge, bei der der Leuchtstoff bzw. der Halbleiterchip die größte Emission aufzeigt und kann anhand des Emissionsspektrums ermittelt werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die elektromagnetische Strahlung des zweiten Wellenlängenbereichs ein Emissionsspektrum auf, das einen melanopischen ELR (efficacy of luminous radiation) aufweist, der größer oder gleich 0,66 ist. Mit dem melanopischen ELR wird die Fähigkeit von Strahlung beschrieben, den Melanopsin enthaltenden Photorezeptor im menschlichen Auge anzuregen. Ein melanopischer ELR von größer oder gleich 0,66 ist größer als der von handelsüblichen Ce-aktivierten Leuchtstoffen und sorgt für die Aktivierung des Melanopsin enthaltenden Photorezeptors und damit für eine gesteigerte Wachheit und Aufmerksamkeit des Betrachters. Damit ist das strahlungsemittierende Bauelement gut für den Einsatz in Human Centric Lighting Anwendungen geeignet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Konversionselement mindestens einen zweiten Leuchtstoff auf. Der zweite Leuchtstoff ist von dem ersten Leuchtstoff insbesondere unterschiedlich. Der zweite Leuchtstoff kann ausgewählt sein aus Ce³⁺-dotierten Granaten, wie beispielsweise Y₃(Al_1-xGa_x)₅O₁₂:Ce³⁺, (Lu,Y)₃(Al_1-xGa_x) ₅O₁₂: Ce³⁺, (Y,Gd)₃(Al_1-xGa_x)₅O₁₂: Ce³⁺, (Y,Tb)₃(Al₁-xGax)₅O₁₂:Ce³⁺ und Lu₃(Al_1-xGa_x)₅O₁₂:Ce³⁺, Ce³⁺-dotierten (Oxy) Nitriden, wie beispielsweise (La,Y)₃Si₆N₁₁:Ce³⁺ und (La_1-xCa_x)₃Si₆(N_1-yO_y)₁₁:Ce³⁺, Eu²⁺-dotierten Oxiden und Eu²⁺-dotierten (Oxy)Nitriden, wie beispielsweise (Ca,Sr)AlSiN₃:Eu²⁺, Sr(Ca,Sr)Si₂Al₂N₆: Eu²⁺, (Na,Li,K,Rb,Cs)[Li₃SiO₄]:Eu²⁺, (Ca,Ba,Sr)₂Si₅N₈:Eu²⁺, SrAlSi₇N₄ :Eu²⁺, Sr[Al₃LiN₄]:Eu²⁺, Ca[Al₃LiN₄]:Eu²⁺, Sr[Li₂Al₂O₂N₂]:Eu²⁺, Ca₈Mg(SiO₄)₄Cl₂:Eu²⁺, BaSi₂O₂N₂:Eu²⁺, (Ca,Ba,Sr)Si₂O₂N₂:Eu^2+, β-SiAlON:EU²⁺ und α-SiAlON:Eu²⁺, EU²⁺dotierten Sulfiden, wie beispielsweise CaS:Eu²⁺ und SrGa₂S₄:Eu²⁺, sowie Mn⁴⁺-dotierten Leuchtstoffen, beispielsweise mit K₂SiF₆, Na₂SiF₆ oder K₂TiF₆ als Wirtsstruktur.
Neben dem zweiten Leuchtstoff kann auch ein dritter, vierter usw. Leuchtstoff in dem Konversionselement vorhanden sein und zusammen mit dem ersten Leuchtstoff eine Leuchtstoffmischung bilden. Insbesondere sind diese Leuchtstoffe von dem ersten und zweiten Leuchtstoff unterschiedlich und können aus den in Bezug auf den zweiten Leuchtstoff genannten Leuchtstoffen ausgewählt sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das Konversionselement als Konversionsschicht ausgebildet. Die Konversionsschicht kann in direktem oder in indirektem Kontakt auf die Strahlungsaustrittsfläche des Halbleiterchips aufgebracht sein. Im Falle eines indirekten Kontakts kann sie mit Hilfe von beispielsweise einer Klebeschicht auf die Strahlungsaustrittsfläche aufgebracht sein oder zwischen der Strahlungsaustrittsfläche und dem Konversionselement kann ein Verguss angebracht sein.
Halbleiterchip, Konversionsschicht und gegebenenfalls Klebeschicht können gemäß einer weiteren Ausführungsform auch alle von einem Verguss umgeben sein. Beispielsweise sind Halbleiterchip, Konversionselement und gegebenenfalls eine Klebeschicht dann in der Vertiefung eines Gehäuses angeordnet, in der weiterhin der Verguss angeordnet ist.
Ein Verguss kann eine Durchlässigkeit für die Primärstrahlung und/oder die Sekundärstrahlung bzw. die von der Leuchtstoffmischung emittierte Strahlung aufweisen, die mindestens 85 %, bevorzugt 95 % beträgt. Weiterhin kann ein Verguss beispielsweise Silikon oder Epoxidharz als Material aufweisen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform liegt der Leuchtstoff in dem Konversionselement als Keramik vor. In einem solchen Fall kann die Konversionsschicht aus dem die Keramik bildenden Leuchtstoff bestehen. Eine Keramik eignet sich gut als Material für ein Konversionselement, da sie gut wärmeableitend ist. Solche Konversionselemente können daher gut in Bauelementen eingesetzt werden, die mit viel Energie bzw. hohen Bestrahlungsstärken betrieben werden wie beispielsweise Auto- oder Bühnenscheinwerfer.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform liegt der Leuchtstoff in dem Konversionselement in eine Matrix eingebettet vor. Insbesondere liegt dann der Leuchtstoff in Partikelform vor. Im Falle einer Leuchtstoffmischung liegen dann alle Leuchtstoffe, insbesondere in Partikelform, in einer Matrix eingebettet vor. Die Matrix kann beispielsweise ein Material aufweisen, das aus einer Gruppe ausgewählt ist, die aus Polymeren und Glas gebildet ist. Als Polymere können beispielsweise Polystyrol, Polysiloxan, Polysilazan, PMMA, Polycarbonat, Polyacrylat, Polytetrafluorethylen, Polyvinyl, Silikonharz, Silikon, Epoxidharz und transparentes Synthesekautschuk ausgewählt werden. Als Glas können beispielsweise Silikate, Wasserglas und Quarzglas ausgewählt werden.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen des Bauelements und des Verfahrens ergeben sich aus den im Folgenden in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Ausführungsbeispielen.

1 zeigt schematische Schnittansichten eines strahlungsemittierenden Bauelements gemäß verschiedener Ausführungsformen.
2 zeigt einen Strukturausschnitt des Kristallgitters des Leuchtstoffs gemäß einer Ausführungsform.
3 zeigt Emissionsspektren des Leuchtstoffs gemäß einer Ausführungsform bei verschiedenen Anregungswellenlängen.
4 zeigt das Emissionsspektrum eines Vergleichsbeispiels.
5 zeigt das Emissionsspektrum des Leuchtstoffs gemäß einer Ausführungsform im Vergleich zu dem Emissionsspektrum eines Vergleichsbeispiels und zu der melanopischen Kurve.

Gleiche, gleichartige oder gleich wirkende Elemente sind in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen. Die Figuren und die Größenverhältnisse der in den Figuren dargestellten Elemente untereinander sind nicht als maßstäblich zu betrachten. Vielmehr können einzelne Elemente, insbesondere Schichtdicken, zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein.
1a zeigt ein strahlungsemittierendes Bauelement, das einen Halbleiterchip 10 aufweist. Der Halbleiterchip 10 emittiert im Betrieb elektromagnetische Strahlung eines ersten Wellenlängenbereichs (Primärstrahlung) aus einer Strahlungsaustrittsfläche 11. Der Halbleiterchip 10 weist eine epitaktisch gewachsene Halbleiterschichtenfolge mit einer aktiven Zone 12 auf, die dazu geeignet ist, elektromagnetische Strahlung zu erzeugen. Die Primärstrahlung weist beispielsweise Wellenlängen im blauen und/oder ultravioletten Bereich auf. Die Bestrahlungsstärke, mit der der Halbleiterchip 10 betrieben wird, beträgt mindestens 0,5 W/mm².
Weiterhin weist das Bauelement ein Konversionselement 20 auf. Das Konversionselement 20 enthält entweder eine Matrix, in der der erste Leuchtstoff, insbesondere Partikel des ersten Leuchtstoffs, eingebettet ist, oder das Konversionselement weist eine aus dem Leuchtstoff gebildete Keramik auf oder besteht daraus.
Der Leuchtstoff weist die allgemeine Formel RE₂M_2-xT_xN_4-xO_1+x:AE auf, wobei RE, M, T, AE und x wie oben ausgeführt ausgewählt werden können. Gemäß einem Ausführungsbeispiel handelt es sich bei dem Leuchtstoff um La₂Si_2-xAl_xN_4-xO_1+x:Ce³⁺. Alle bezüglich der allgemeinen Formel angegebenen möglichen Varianten bezüglich der in dem Leuchtstoff enthaltenen Elemente bzw. des Wertes für x sind aber ebenso möglich.
Zusätzlich kann mindestens ein zweiter Leuchtstoff in dem Konversionselement 20 vorhanden sein, der mit dem hier beschriebenen ersten Leuchtstoff eine Leuchtstoffmischung bildet. Der oder die zusätzlichen Leuchtstoffe sind beispielsweise ein oder mehrere aus Y₃(Al_1-xGa_x) ₅O₁₂:Ce³⁺, (Lu,Y)₃(Al₁-xGax) ₅O₁₂: Ce³⁺, (Y,Gd)₃(Al₁-xGax) ₅O₁₂: Ce³⁺, (Y,Tb)₃(Al_1-xGa_x)₅O₁₂: Ce³⁺, Lu₃(Al₁-xGax) ₅O₁₂: Ce³⁺, (La,Y)₃Si₆N₁₁:Ce³⁺, (La_1-xCa_x)₃Si₆(N_1-yO_y)₁₁:Ce³⁺, (Ca,Sr)AlSiN₃:Eu²⁺, Sr(Ca,Sr)Si₂Al₂N₆:Eu²⁺, (Na,Li,K,Rb,Cs) ([Li₃SiO₄]:Eu²⁺, (Ca,Ba,Sr)₂Si₅N₈:Eu²⁺, SrAlSi₇N₄:Eu²⁺, Sr[Al₃LiN₄]:Eu²⁺, Ca[Al₃LiN₄]:Eu²⁺, Sr[Li₂Al₂O₂N₂]:Eu²⁺, Ca₈Mg(SiO₄)₄Cl₂:Eu²⁺, BaSi₂O₂N₂:Eu²⁺, (Ca,Ba,Sr)Si₂O₂N₂:Eu²⁺, β-SiAlON:Eu²⁺, α-SiAlON:EU²⁺, CaS:Eu²⁺, SrGa₂S₄:Eu²⁺, K₂SiF₆:Mn⁴⁺, Na₂SiF₆:Mn⁴⁺, K₂TiF₆:Mn⁴⁺.
Wenn das Konversionselement 20 eine Matrix aufweist, in der der Leuchtstoff oder die Leuchtstoffmischung eingebettet ist, weist die Matrix dabei ein Material auf, das ausgewählt ist aus Polymeren wie beispielsweise Polystyrol, Polysiloxan, Polysilazan, PMMA, Polycarbonat, Polyacrylat, Polytetrafluorethylen, Polyvinyl, Silikonharz, Silikon, Epoxidharz und transparentes Synthesekautschuk, und Glas wie beispielsweise Silikate, Wasserglas und Quarzglas.
Der Leuchtstoff wandelt im Betrieb elektromagnetische Strahlung des ersten Wellenlängenbereichs in elektromagnetische Strahlung des zweiten Wellenlängenbereichs (Sekundärstrahlung) um. Der zweite Wellenlängenbereich ist zumindest teilweise unterschiedlich von dem ersten Wellenlängenbereich. Bei dem Ausführungsbeispiel La₂Si_2-xAl_xN_4-xO_1+x:Ce³⁺ liegt die Sekundärstrahlung im blaugrünen bis grünen Bereich, insbesondere bei Anregung mit blauer oder UV-Strahlung. Bei nicht vollständiger Konversion der Primärstrahlung durch das Konversionselement sendet das Bauelement somit Mischlicht, das aus Primär- und Sekundärstrahlung und, wenn weitere Leuchtstoffe in dem Konversionselement 20 vorhanden sind, der emittierten Strahlung dieser Leuchtstoffe zusammengesetzt ist, aus.
Das Konversionselement 20, das hier als Konversionsschicht ausgebildet ist, kann entweder direkt auf dem Halbeiterchip 10 aufgebracht sein, oder beispielsweise mittels einer Klebeschicht (hier nicht explizit gezeigt), daran befestigt sein.
Der Halbleiterchip 10 mit dem darauf angeordneten Konversionselement 20 ist in der Ausnehmung eines Gehäuses 30 angeordnet. Das Gehäuse 30 hat zum Halbleiterchip 10 hin abgeschrägte Seitenflächen, die reflektiv ausgebildet sein können. Der Halbleiterchip 10 und das Konversionselement 20 können in dem Gehäuse 30 von einem Verguss 40 umgeben sein, der hier nicht explizit gezeigt ist.
Alternativ kann das Gehäuse 30 auch keine Seitenwände und damit keine Ausnehmung aufweisen und als Träger ausgebildet sein (hier nicht gezeigt).
1b beschreibt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines strahlungsemittierenden Bauelements. Für die Elemente mit gleichen Bezugszeichen gelten die in Bezug auf 1a gemachten Ausführungen. Im Unterschied zu dem Bauelement wie es in 1a gezeigt ist, umfasst das in 1b gezeigte Bauelement weiterhin einen Verguss 40, der den Halbleiterchip 10 umgibt. Der Verguss kann beispielsweise aus einem Silikon oder Epoxidharz gebildet sein und weist eine Durchlässigkeit für elektromagnetische Strahlung der aktiven Zone 12 auf, die mindestens 85%, bevorzugt 95% beträgt.
In diesem Ausführungsbeispiel ist das Konversionselement 20 nicht direkt auf dem Halbleiterchip 10 angeordnet, sondern beabstandet dazu auf der von dem Halbleiterchip 10 abgewandten Seite des Vergusses 40. Auch hier ist das Konversionselement 20 wieder als Konversionsschicht ausgebildet.
Bei den in den 1a und 1b gezeigten Bauelementen handelt es sich beispielsweise um LEDs. Der Übersichtlichkeit halber sind in den 1a und 1b zusätzlich vorhandene Elemente, wie beispielsweise elektrische Kontaktierungen, nicht gezeigt.
Im Folgenden wird der hier beschriebene Leuchtstoff anhand des Ausführungsbeispiels La₂Si_2-xAl_xN_4-xO_1+x:Ce³⁺ näher erläutert.
Als Vergleichsbeispiel wird im Folgenden handelsübliches LuAG (Lu₃Al₅O₁₂:Ce³⁺) herangezogen, welches üblicherweise für die Konversion von blauer Primärstrahlung einer LED in Sekundärstrahlung im blaugrünen bis grünen Spektralbereich Anwendung findet. LuAG kristallisiert in der Granatstruktur in der kubischen Raumgruppe Ia3d. Typische spektrale Werte für LuAG betragen zwischen 550 nm bis 570 nm für die Dominanzwellenlänge und zwischen 100 nm bis 120 nm für die spektrale Halbwertsbreite. Ein Emissionsspektrum des Vergleichsbeispiels LuAG ist in 4 gezeigt. Dort ist die normierte Intensität I/I_max gegen die Wellenlänge λ in nm angegeben.
Die Synthese eines hier beschriebenen Leuchtstoffs wird im Folgenden anhand des Ausführungsbeispiels La₂Si_2-xAl_xN_4-xO_1+x:Ce³⁺ erläutert.
Zunächst werden die Edukte CeO₂ (0,12 mol), LaN (3,88 mol), Si₃N₄ (2,5 mol), AlN (0,4 mol) und Al₂O₃ (2,1 mol) (Reinheit jeweils 99,5% mit sauerstoffhaltigen Verunreinigungen) beispielsweise im angegebenen molaren Verhältnis bereitgestellt und homogen miteinander vermengt. Das kann z.B. in einem Handmörser, einer Mörsermühle, einer Kugelmühle oder einem Mehrachsmischer erfolgen. Die Edukte werden anschließend in einen Tiegel überführt, der beispielsweise aus Wolfram besteht. Das Eduktgemenge wird anschließend unter reduzierenden Bedingungen (z.B. N₂-Atmosphäre oder 5% H₂/N₂) bei 10 bar für 12 Stunden bei ungefähr 1700°C erhitzt und somit zur Reaktion gebracht. Nach erfolgter Reaktion und Abkühlung wird das Produkt vermahlen, was beispielsweise wieder in einem Handmörser, einer Mörsermühle oder einer Kugelmühle erfolgt. Somit liegt der Leuchtstoff in pulverförmiger Form vor und kann im Anschluss charakterisiert werden.

Die Struktur des Leuchtstoffs La₂Si_2-xAl_xN_4-xO_1+x:Ce³⁺ wird mittels Einkristallröntgenbeugung bestimmt. Die kristallographischen Daten, Details zu den Messbedingungen und die grundlegenden Güteparameter R_all/wR_ref und GooF der röntgenographischen Bestimmung sind Gegenstand der Tabelle 1: Tabelle 1

Formelmasse [g/mol]	404,02
Z	4
Kristallsystem	tetragonal
Raumgruppe	P4₃
a [pm]	553,63 (1)
b [pm]	553,63 (1)
c [pm]	1545,63 (6)
α [°]	90
β [°]	90
γ [°]	90
Volumen V [nm³]	0,47375 (3)
Kristallographische Dichte p [g/cm³]	5,665
T [K]	296 (2)
Diffraktometer	Bruker D8 Quest
Strahlung	Cu K_α (154,178 nm)
Messbereich	9,8624° ≤ θ ≤ 72,4229°
Gemessene/unabhängige Reflexe	14075/927
Gemessener reziproker Raum	-6 ≤ h ≤ 6
	-6 ≤ k ≤ 6
	-19 ≤ 1 ≤ 18
R_all/wR_ref	1,76%/4,68%
GooF	1,186

Der Leuchtstoff La₂Si_2-xAl_xN_4-xO_1+x:Ce³⁺ kristallisiert also in der tetragonalen Raumgruppe P4₃ und weist die angegebenen Gitterparameter, a, b, c, α, β und γ auf.

Tabelle 2 zeigt den Einfluss der genauen Zusammensetzung, also des Wertes x, auf die Gitterparamter bei einer Si/Al-Substitution: Tabelle 2

x	Gitterparameter a [pm]	Gitterparameter c [pm]	Volumen [nm³]
0,2	553,02	1547,30	0,47321
0,4	553,34	1547,21	0,47373
0,6	553,41	1546,72	0,47370
0,8	554,54	1547,10	0,47576
1,0	555,01	1545,85	0,47618

Es ist zu erkennen, dass sich die Gitterparameter sowie das Volumen durch den Einbau von Al verändern.

Eine Auflistung der kristallographischen Lageparameter (die Wyckoff-Lage, die Atomlagen x, y und z, die Besetzungen und die isotropen Auslenkungsparameter U_iso für Atome des Ausführungsbeispiels La₂Si_2-xAl_xN₄-_xO_1+x:Ce³⁺) von La₂Si_2-xAl_xN_4-xO_1+x:Ce³⁺ ist der Tabelle 3 zu entnehmen: Tabelle 3

Name	Atom typ	Wyck off-	x	y	z	Bes etz	U_iso
		Lage				ung
(La,Ce)1	La, Ce	4a	0,04459 (12)	1,02178 (17)	0,55412 (2)	1	0,0087 (2) (ani)
(La,Ce)2	La, Ce	4a	1,52188 (16)	0,5444	0,59149 (3)	1	0,0087 (2) (ani)
(Si,Al)3	Si, Al	4a	0,5636 (5)	1,0176 (5)	0,4637 (2)	1	0,0048 (5)
(Si,Al)4	Si, Al	4a	0,9364 (5)	0,5174 (5)	0,4324 (2)	1	0,0045 (5)
(N,O)5	N, O	4a	0,7406 (18)	0,2766 (16)	0,4537 (6)	1	0,0095 (16)
(N,O)6	N, O	4a	0,7599 (18)	0,7766 (16)	0,4432 (6)	1	0,0098 (15)
(N,O)7	N, O	4a	1,1932 (14)	0,4999 (14)	0,4900 (5)	1	0,0061 (14)
(N,O)8	N, O	4a	0,4896 (16)	0,9893 (17)	0,5734 (8)	1	0,0067 (11)
(N,O)9	N, O	4a	0,3070 (15)	1,0010 (14)	0,4060 (6)	1	0,0077 (15)

2 zeigt einen Strukturausschnitt des Kristallgitters des Leuchtstoffs des Ausführungsbeispiels La₂Si_2-xAl_xN_4-xO_1+x:Ce³⁺. Der Strukturausschnitt ist aus der Blickrichtung der kristallographischen b-Achse dargestellt. Darin sind schwarz dargestellt [AX₄]-Tetraeder, in denen jeweils A Si oder Al ist. La ist als schwarz umrandeter, weißer Kreis dargestellt. Ausgewählte Atome und Bindungen sind zur besseren Darstellbarkeit und zum besseren Verständnis der Struktur nicht dargestellt.
In der 2 ist die Raumnetzstruktur aus den eckenverknüpften, A-zentrierten [AX₄]-Tetraedern zu erkennen, mit A = Si oder Al und X = O oder N. Durch die Verknüpfung über drei der vier Ecken eines Tetraeders zu einem weiteren Tetraeder ergibt sich ein dreidimensional unendlich ausgedehntes Raumnetz aus [AX₄]-Tetraedern, durch welches sich Kanäle ziehen, in denen die Lanthanionen sowie die Aktivatorionen zu finden sind. In der 2 sind die dargestellten Lanthanionen teilweise von den Tetraedern überlagert, womit angedeutet wird, dass sich diese Lanthanionen hinter der dargestellten Ebene befinden.

Die mittleren Bindungslängen in den Tetraedern werden ebenfalls mittels Einkristallröntgenbeugung ermittelt und sind in Tabelle 4 angegeben: Tabelle 4

Zentralatom A	X	Bindungslänge [pm]
(Si,Al)3-	(N,0)5	174.4(9)
	(N,O) 6	175.0 (9)
	(N,O) 8	175.1(11)
	(N,O) 9	168.0(9)
(Si,Al)4-	(N,O)5	174.9(9)
	(N,O) 6	174.4(9)
	(N,O)7	168.0 (9)
	(N,O)8	174.1(11)

Der Leuchtstoff gemäß dem Ausführungsbeispiel La₂Si_2-xAl_xN_4-xO_1+x:Ce³⁺ eignet sich als blaugrüner bis grüner Konversionsleuchtstoff, beispielsweise in LEDs. Insbesondere kann der Leuchtstoff in einer Konversionsschicht, wie in Bezug auf die 1a und 1b erläutert, eingesetzt werden.
Durch die exakte Zusammensetzung (Festlegung des Wertes x) kann die genaue Emissionslage eingestellt werden. Weiterhin ist die genaue Emissionslage auch von der Anregungswellenlänge abhängig. Die Emission des Leuchtstoffs kann also für die jeweilige Anwendung maßgeschneidert werden.
Die wesentlichen spektralen Parameter des Leuchtstoffs gemäß dem Ausführungsbeispiel La₂Si_2-xAl_xN_4-xO_1+x:Ce³⁺sind in Tabelle 5 zusammengefasst: Tabelle 5

Anregung bei 408 nm Anregung bei 448 nm

λ_dom [nm] 524 560

λ_max [nm] 512 529

FWHM [nm] 109 133
Es sind sowohl die Dominanzwellenlänge λ_dom als auch die Wellenlänge des Emissionsmaximums λ_max angegeben sowie die Halbwertsbreite FWHM. Diese Werte zeigen den gegenüber herkömmlichen Leuchtstoffen, beispielsweise LuAG, erweiterten Emissionsbereich. Die Werte wurden bei zwei verschiedenen Anregungswellenlängen, nämlich 408 nm und 448 nm, ermittelt. Dadurch ist die Abhängigkeit der Emissionslage des Leuchtstoffs von der Anregungswellenlänge gezeigt.
3 zeigt die zugehörigen Emissionsspektren des Ausführungsbeispiels La₂Si_2-xAl_xN_4-xO_1+x:Ce³⁺ bei 408 nm Anregungswellenlänge (gestrichelte Linie) und bei 448 nm Anregungslicht (durchgezogene Linie). Aufgetragen ist wieder die normierte Intensität I/I_max gegen die Wellenlänge λ in nm. Der Peak bei ca. 470 nm im Spektrum, das bei 448 nm Anregungslicht aufgenommen wurde, resultiert von Resten dieses Anregungslichtes, die vom verwendeten Filter nicht vollständig ausgeblendet wurden.
Der Leuchtstoff gemäß dem Ausführungsbeispiel emittiert somit breitbandig im blaugrünen bis grünen Bereich bei Anregung mit einer Anregungswellenlänge, die im blauen Bereich liegt. Damit kann er gut als grüne Komponente in LEDs mit hohem Farbwiedergabeindex und insbesondere in Human Centric Lighting-Anwendungen eingesetzt werden. Dabei wird die nicht-visuelle Wirkung von Licht mitberücksichtigt. Durch gezielte Aktivierung des Melanopsin enthaltenden Photorezeptors im Auge eines menschlichen Betrachters wird eine gesteigerte Aufmerksamkeit und Wachheit erzeugt. Die Fähigkeit von Strahlung, diesen Rezeptor anzuregen kann beispielsweise mit der sogenannten „melanopic efficacy of luminous radiation“ („melanopische ELR“) bewertet werden.
In Tabelle 6 finden sich hierfür Werte für den Leuchtstoff gemäß dem Ausführungsbeispiel La₂Si_2-xAl_xN_4-xO_1+x:Ce³⁺ bei zwei verschiedenen Anregungswellenlängen und dem Vergleichsbeispiel LuAG: Tabelle 6

LuAG La₂Si_2-xAl_xN_4- _xO_1+x:Ce³⁺ (Anregung bei 448 nm) La₂Si_2-xAl_xN_4- _xO_1+x:Ce³⁺ (Anregung bei 408 nm)

Melanopische ELR 0,6572 0,6723 1,0152

Relative melanopische ELR 100 % 102 % 154 %
Das Ausführungsbeispiel zeigt somit Verbesserungen gegenüber dem Vergleichsbeispiel. Die melanopische ELR gibt den Überlapp der melanopischen Kurve mit dem Emissionsspektrum des Leuchtstoffs normiert auf Tageslicht an. In dem Vergleichsbeispiel wird dieser Überlapp mit 100% gleichgesetzt. Im Vergleich dazu zeigt der Leuchtstoff gemäß dem Ausführungsbeispiel einen deutlich erhöhten Überlapp um - je nach Anregungswellenlänge - über 50%. Der hier beschriebene Leuchtstoff ist für sich genommen also besser geeignet für menschenzentrierte Beleuchtungskonzepte als das Vergleichsbeispiel, je nach Anregungswellenlänge sogar massiv. In Bauelementen mit mehreren Leuchtstoffen könnte dieser Effekt zwar geringer ausfallen, eine Verbesserung gegenüber Systemen, die herkömmliches LuAG einsetzen, bleibt aber bestehen.
Das anhand Tabelle 6 erläuterte Phänomen wird auch in 5 gezeigt. Aufgetragen ist wieder die normierte Intensität I/I_max gegen die Wellenlänge λ in nm. Hier wird die Emission des Leuchtstoffes gemäß dem Ausführungsbeispiel La₂Si_2-xAl_xN_4-xO_1+x:Ce³⁺ bei einer Anregungswellenlänge von 408 nm (durchgezogene Linie) mit der Emission des Vergleichsbeispiels LuAG (gestrichelte Linie) und der melanopischen Kurve (gepunktete Linie) verglichen. Der größere Überlapp der Emission des Ausführungsbeispiels mit der melanopischen Kurve verglichen mit dem Vergleichsbeispiel ist deutlich ersichtlich.
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

10: Halbleiterchip
11: Strahlungsaustrittsfläche
12: Aktive Zone
20: Konversionselement
30: Gehäuse
40: Verguss

Claims

Leuchtstoff mit der allgemeinen Formel RE₂M_2-xT_xN_4-xO_1+x:AE wobei - RE ausgewählt ist aus dreiwertigen Elementen, - M ausgewählt ist aus vierwertigen Elementen, - T ausgewählt ist aus dreiwertigen Elementen, - AE ausgewählt ist aus Aktivatorelementen, und es gilt 0 ≤ x ≤ 2.
Leuchtstoff nach dem vorhergehenden Anspruch, der ein Wirtsgitter mit einer Elementarzelle aufweist, die ein Volumen V=n*x*V₀ aufweist, wobei n eine natürliche Zahl ist, 0,95 ≤ x ≤ 1,05 ist und V₀ = 0,47375(3) nm³ ist.
Leuchtstoff nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das Wirtsgitter Gitterparameter a, b, c, α, β und γ aufweist, wobei - a ausgewählt ist aus dem Bereich 538 pm bis 570 pm, - b ausgewählt ist aus dem Bereich 538 pm bis 570 pm, - c ausgewählt ist aus dem Bereich 1530 pm bis 1560 pm, - α ausgewählt ist aus dem Bereich 85° bis 95°, - β ausgewählt ist aus dem Bereich 85° bis 95°, - γ ausgewählt ist aus dem Bereich 85° bis 95°.
Leuchtstoff nach einem der Ansprüche 2 oder 3, wobei das Wirtsgitter eine tetragonale Raumgruppe aufweist.
Leuchtstoff nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das Wirtsgitter die tetragonale Raumgruppe P4₃ aufweist.
Leuchtstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, aufweisend ein Wirtsgitter, das A-zentrierte [AX_4]-Tetraeder umfasst, wobei A aus M und T ausgewählt ist und X aus O und N ausgewählt ist.
Leuchtstoff nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die [AX_4]-Tetraeder jeweils über drei Ecken zu weiteren [AX₄]-Tetraedern verknüpft sind und eine Raumnetzstruktur bilden.
Leuchtstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei RE ausgewählt ist aus den Seltenerdmetallen Y, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Th, Yb, Lu und Kombinationen daraus.
Leuchtstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche wobei M ausgewählt ist aus Si, Ge, Sn und Kombinationen daraus.
Leuchtstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei T ausgewählt ist aus Al, Ga, B und Kombinationen daraus.
Leuchtstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei AE ausgewählt ist aus dreiwertigen Elementen.
Leuchtstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei AE ausgewählt ist aus Ce, Sm, Eu und Kombinationen daraus.
Leuchtstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche aufweisend die Formel La₂Si_2-xAl_xN_4-xO_1+x:Ce³⁺.
Leuchtstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei AE einen Anteil aus dem Bereich von einschließlich 0,1 Atom% bis zu einschließlich 10 Atom% in Bezug auf RE aufweist.
Verfahren zur Herstellung eines Leuchtstoffs mit der allgemeinen Formel RE₂M_2-xT_xN_4-xO_1+x: AE wobei - RE ausgewählt ist aus dreiwertigen Elementen, - M ausgewählt ist aus vierwertigen Elementen, - T ausgewählt ist aus dreiwertigen Elementen, - AE ausgewählt ist aus Aktivatorelementen, und es gilt 0 ≤ x ≤ 2, mit den Schritten - Bereitstellen eines Gemenges von Edukten, die aus einer Gruppe ausgewählt sind, die Oxide, Nitride, Carbonate, Nitrate, Oxalate, Citrate und Hydroxide jeweils von RE, M, T und AE und Kombinationen daraus umfasst, - homogenes Vermengen der Edukte, - Erhitzen der Edukte auf eine Temperatur, die aus dem Bereich einschließlich 1000°C bis einschließlich 2500°C ausgewählt ist.
Strahlungsemittierendes Bauelement, umfassend - einen Halbleiterchip (10), der im Betrieb elektromagnetische Strahlung eines ersten Wellenlängenbereichs von einer Strahlungsaustrittsfläche (11) emittiert, und - ein Konversionselement (20), das zumindest einen ersten Leuchtstoff aufweist, der elektromagnetische Strahlung des ersten Wellenlängenbereichs in elektromagnetische Strahlung eines zweiten Wellenlängenbereichs konvertiert, wobei der erste Leuchtstoff die allgemeine Formel RE₂M_2-xT_xN_4-xO_1+x: AE aufweist, wobei - RE ausgewählt ist aus dreiwertigen Elementen, - M ausgewählt ist aus vierwertigen Elementen, - T ausgewählt ist aus dreiwertigen Elementen, - AE ausgewählt ist aus Aktivatorelementen, und es gilt 0 ≤ x ≤ 2.
Strahlungsemittierendes Bauelement nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der zweite Wellenlängenbereich von dem ersten Wellenlängenbereich abhängt.
Strahlungsemittierendes Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche 16 oder 17, wobei der Halbleiterchip (10) eine Bestrahlungsstärke von mindestens 0,5 W/mm² aufweist.
Strahlungsemittierendes Bauelement nach einem der Ansprüche 16 bis 18, wobei die elektromagnetische Strahlung des zweiten Wellenlängenbereichs ein Emissionsspektrum mit einer Dominanzwellenlänge λ_dom aufweist, die aus dem Bereich 500 nm bis 580 nm ausgewählt ist.
Strahlungsemittierendes Bauelement nach einem der Ansprüche 16 bis 19, wobei die elektromagnetische Strahlung des zweiten Wellenlängenbereichs ein Emissionsspektrum aufweist, das einen melanopischen ELR aufweist, der größer oder gleich 0,66 ist.