DE102022116190A1

DE102022116190A1 - Leuchtstoff, verfahren zu dessen herstellung und strahlungsemittierendes bauelement

Info

Publication number: DE102022116190A1
Application number: DE102022116190.0A
Authority: DE
Inventors: Johanna Strube-Knyrim; Gina Maya Achrainer; Daniel Bichler
Original assignee: Ams Osram International GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2022-06-29
Filing date: 2022-06-29
Publication date: 2024-01-04
Also published as: WO2024002640A1

Abstract

Es wird ein Leuchtstoff (1) mit der Summenformel EA3-xRExD2+yE12-yN20-zOz:M angegeben, wobei EA ein Element oder eine Kombination von Elementen aus der Gruppe der zweiwertigen Elemente ist, RE ein Seltenerdelement ist, D ein Element oder eine Kombination von Elementen aus der Gruppe der dreiwertigen Elemente ist, E ein Element oder eine Kombination von Elementen aus der Gruppe der vierwertigen Elemente ist, M ein Aktivator-Element oder eine Kombination von Aktivator-Elementen ist, 0 ≤ x ≤ 3, 0 ≤ y ≤ 12 und z = y - x, wobei z ≥ 0.Darüber hinaus werden ein Verfahren zur Herstellung eines Leuchtstoffs (1) und ein strahlungsemittierendes Bauelement (13) angegeben.

Description

Es werden ein Leuchtstoff, ein Verfahren zur Herstellung eines Leuchtstoffs und ein strahlungsemittierendes Bauelement angegeben.
Es ist unter anderem eine Aufgabe einen Leuchtstoff mit erhöhter Effizienz bereitzustellen. Ferner soll ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Leuchtstoffs und ein verbessertes strahlungsemittierendes Bauelement bereitgestellt werden.
Gemäß einer Ausführungsform weist der Leuchtstoff die Summenformel EA_3-xRE_xD_2+yE_12-yN_20-zO_z:M auf.
Es ist bei den angegebenen Summenformeln möglich, dass der Leuchtstoff weitere Elemente, beispielsweise in Form von Verunreinigungen, aufweist. Insbesondere weisen diese Verunreinigungen höchstens 5 Mol-%, insbesondere höchstens 1 Mol-%, bevorzugt höchstens 0,1 Mol-% auf.
Gemäß einer Ausführungsform des Leuchtstoffs ist EA ein Element oder eine Kombination von Elementen aus der Gruppe der zweiwertigen Elemente. Insbesondere ist EA ein Element oder eine Kombination von Elementen ausgewählt aus der Gruppe gebildet durch Ca, Sr und Ba.
Gemäß einer Ausführungsform des Leuchtstoffs ist RE ein Seltenerdelement. Seltenerdelemente umfassen vorliegend die chemischen Elemente der 3. Nebengruppe des Periodensystems sowie die Lanthanoide. RE ist vorliegend beispielsweise ausgewählt aus der Gruppe gebildet durch Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu.
Gemäß einer Ausführungsform des Leuchtstoffs ist D ein Element oder eine Kombination von Elementen aus der Gruppe der dreiwertigen Elemente. Insbesondere ist D ein Element oder eine Kombination von Elementen ausgewählt aus der Gruppe gebildet durch Al und Ga.
Gemäß einer Ausführungsform des Leuchtstoffs ist E ein Element oder eine Kombination von Elementen aus der Gruppe der vierwertigen Elemente. Insbesondere ist E Si.
Gemäß einer Ausführungsform des Leuchtstoffs ist M ein Aktivator-Element oder eine Kombination von Aktivator-Elementen. Insbesondere ist M ein Element oder eine Kombination von Elementen ausgewählt aus der Gruppe gebildet durch Ce und Eu. Insbesondere liegt Ce in der Form Ce³⁺ vor, wohingegen Eu in der Regel in der Form Eu²⁺ vorliegt.
Bevorzugt umfasst der Leuchtstoff ein Wirtsgitter, in das Fremdelemente als die Aktivator-Elemente eingebracht sind. Das Wirtsgitter verändert die elektronische Struktur des Aktivator-Elements so, dass elektromagnetische Strahlung einer Anregungswellenlänge, die von dem Leuchtstoff absorbiert wird, einen elektronischen Übergang von einem Grundzustand in einen angeregten Zustand in dem Leuchtstoff hervorruft. Unter Aussenden von elektromagnetischer Strahlung mit einem Emissionsspektrum geht der Leuchtstoff wieder in den Grundzustand über.
Beispielsweise weisen Leuchtstoffe mit Eu²⁺ als Aktivator-Element schon ab niedrigen Bestrahlungsstärken um 100 mW/mm² Quenchingeffekte auf. Leuchtstoffe mit Ce³⁺ als Aktivator-Element hingegen weisen insbesondere selbst bei höheren Bestrahlungsstärken geringere Quenchingeffekte auf. Beispielsweise weist Y₃Al₅O₁₂:Ce³⁺ erst oberhalb von 10 W/mm² Quenchingeffekte auf, also mehr als eine Größenordnung oberhalb der Bestrahlungsstärken, bei denen Eu²⁺ aktivierte Leuchtstoffe Quenchingeffekte aufweisen. Dies lässt sich beispielsweise auf eine niedrigere Lebensdauer eines angeregten Zustands zurückführen. Die Lebensdauer eines angeregten Zustands von Ce³⁺ kann unter 100 Nanosekunden betragen, wohingegen ein angeregter Zustand von Eu²⁺ eine Lebensdauer im Bereich von 1 Mikrosekunde bis 10 Mikrosekunden aufweisen kann.
Gemäß einer Ausführungsform des Leuchtstoffs gilt 0 ≤ x ≤ 3, 0 ≤ y ≤ 12 und z = y - x, wobei z ≥ 0. Insbesondere gilt y = x und somit z = 0.
Gemäß einer Ausführungsform weist der Leuchtstoff die Summenformel EA_3-xRE_xD_2+yE_12-yN_20-zO_z:M auf, wobei EA ein Element oder eine Kombination von Elementen aus der Gruppe der zweiwertigen Elemente ist, RE ein Seltenerdelement ist, D ein Element oder eine Kombination von Elementen aus der Gruppe der dreiwertigen Elemente ist, E ein Element oder eine Kombination von Elementen aus der Gruppe der vierwertigen Elemente ist, M ein Aktivator-Element oder eine Kombination von Aktivator-Elementen ist, 0 ≤ x ≤ 3, 0 ≤ y ≤ 12 und z = y - x, wobei z ≥ 0.
Gemäß einer Ausführungsform des Leuchtstoffs weist M einen molekularen Anteil zwischen einschließlich 0,1% und einschließlich 10%, insbesondere zwischen einschließlich 0,1% und einschließlich 5%, bezogen auf RE und EA auf. Mit anderen Worten sind zwischen einschließlich 0,1% und einschließlich 10% der Punktlagen von RE und/oder EA mit M besetzt.
Gemäß einer Ausführungsform weist der Leuchtstoff die Summenformel Ba_3-xLa_xAl_2+xS_12-xN₂₀:Ce³⁺ auf. In dieser Ausführungsform gilt in der Summenformel EA_3-xRE_xD_2+yE_12-yN_20- _zO_z:M x = y und somit z = 0.
Gemäß einer Ausführungsform sendet der Leuchtstoff nach Anregung mit elektromagnetischer Strahlung im ultravioletten bis blauen Wellenlängenbereich elektromagnetische Strahlung mit einem Emissionsspektrum aus, das einen Emissionspeak mit einem Emissionsmaximum im cyanen Wellenlängenbereich aufweist. Insbesondere ist es möglich den Leuchtstoff mit elektromagnetischer Strahlung im ultravioletten Wellenlängenbereich, beispielsweise im Wellenlängenbereich von einschließlich 380 Nanometer bis einschließlich 430 Nanometer anzuregen. Beispielsweise wird der Leuchtstoff mit elektromagnetischer Strahlung mit einer Wellenlänge von etwa 408 Nanometer angeregt. Bevorzugt emittiert der Leuchtstoff elektromagnetische Strahlung mit einem Emissionsmaximum im Wellenlängenbereich von einschließlich 450 Nanometer bis einschließlich 520 Nanometer, insbesondere von einschließlich 460 Nanometer bis einschließlich 500 Nanometer. Vorteilhafterweise ist eine Lage des Emissionsmaximums abhängig von einer Zusammensetzung des Leuchtstoffs.
Der hier beschriebene Leuchtstoff kann vorteilhafterweise in Human-Centric-Lighting-Anwendungen eingesetzt werden. Unter Human Centric Lighting versteht man menschenzentrierte Beleuchtungskonzepte, die neben der rein visuellen auch nicht-visuelle Wirkungen von Licht, wie gesteigerte Aufmerksamkeit und Wachheit, mitberücksichtigen. Diese Wirkungen werden einer Aktivierung des Fotorezeptors Melanopsin im Auge zugeschrieben. Die Fähigkeit von elektromagnetischer Strahlung, den Fotorezeptor Melanopsin anzuregen, kann beispielsweise mit der „melanopic efficacy of luminous radiation“ (kurz: melanopische ELR) bewertet werden. Insbesondere übertrifft der vorliegende Leuchtstoff einen herkömmlichen Leuchtstoff in der melanopischen ELR um ein Vielfaches.
Gemäß einer Ausführungsform des Leuchtstoffs weist der Emissionspeak eine Halbwertsbreite (FWHM, engl. „full-width at half maximum“) im Bereich von einschließlich 80 Nanometer bis einschließlich 110 Nanometer, insbesondere im Bereich von einschließlich 85 Nanometer bis einschließlich 100 Nanometer auf. Beispielsweise weist der Emissionspeak eine Halbwertsbreite von etwa 92 Nanometer auf.
Gemäß einer Ausführungsform des Leuchtstoffs weist eine von dem Leuchtstoff ausgesandte elektromagnetische Strahlung eine Dominanzwellenlängen λ_dom im Bereich von einschließlich 460 Nanometer bis einschließlich 510 Nanometer, insbesondere im Bereich von einschließlich 470 Nanometer bis einschließlich 500 Nanometer, beispielsweise von einschließlich 480 Nanometer bis einschließlich 495 Nanometer auf. Die von dem Leuchtstoff ausgesandte elektromagnetische Strahlung weist zum Beispiel eine Dominanzwellenlänge von etwa 488 Nanometer auf.
Leuchtstoffe wie (Sr,Ba) Si₂O₂N₂:Eu²⁺ oder β-SiAlON:Eu²⁺, die Eu²⁺ als Aktivator-Element und einem Emissionspeak im blauen bis grünen Wellenlängenbereich aufweisen, können häufig nur bei niedrigen Bestrahlungsstärken eingesetzt werden. Beispielsweise wird bei β-SiAlON:Eu²⁺ aufgrund von Sättigungseffekten und Quenchingeffekten bereits bei etwa 0,7 W/mm² Bestrahlungsstärke ein Maximum einer Emissionsleistung erreicht. Ce³⁺-aktivierte Leuchtstoffe, wie beispielsweise Lu₃(Al, Ga)₅O₁₂:Ce³⁺ mit Emission im cyanen bis grünen Wellenlängenbereich weisen eine Dominanzwellenlänge im Bereich von 550 Nanometer bis 570 Nanometer und eine Halbwertsbreite zwischen 100 Nanometer und 120 Nanometer auf. Die genauen optischen Eigenschaften von Lu₃ (Al, Ga)₅O₁₂:Ce³⁺ hängen dabei insbesondere von einer Zusammensetzung, beispielsweise einem Ga-Gehalt, einem Dotierungsgrad und einer Korngröße ab. Mit dem hier beschriebenen Leuchtstoff können jedoch Dominanzwellenlängen von unter 550 Nanometer selbst bei hohen Bestrahlungsstärken erreicht werden.
Gemäß einer Ausführungsform kristallisiert das Wirtsgitter des Leuchtstoffs in einer trigonalen Raumgruppe, beispielsweise in der Raumgruppe R3.
Gemäß einer Ausführungsform des Leuchtstoffs weist eine Kristallstruktur des Wirtsgitters des Leuchtstoffs D(N, O)₄-Tetraeder und/oder E(N, O)₄-Tetraeder auf. Die D(N,O)₄-Tetraeder und/oder E(N, O)₄-Tetraeder liegen allseitig eckenverknüpft vor. Insbesondere ist ein Tetraeder von insgesamt vier N- und O-Atomen aufgespannt. Werden die Atome an den Ecken der Tetraeder als sich berührende Kugeln gedacht, so bildet sich in deren Mitte eine Tetraederlücke aus. Die Tetraederlücke wird durch ein D-Atom oder ein E-Atom besetzt. Mit anderen Worten befindet sich ein D-Atom oder ein E-Atom im Zentrum des Tetraeders. Allseitig eckenverknüpft bedeutet, dass jedes Tetraeder über alle vier Ecken mit jeweils einer Ecke eines anderen Tetraeders verknüpft ist.
Gemäß einer Ausführungsform weist die Kristallstruktur des Wirtsgitters des Leuchtstoffs Schichten mit allseitig eckenverknüpften D(N, O)₄-Tetraedern und/oder E(N, O)₄-Tetraedern auf. Insbesondere weist die Kristallstruktur drei symmetrisch unterschiedliche Schichten auf, die beispielsweise jeweils entlang der kristallographischen a- und b-Achse ausgedehnt sind. Bevorzugt weist eine erste Schicht Sechser-Ringe, eine zweite Schicht Dreier-Ringe und/oder eine dritte Schicht Sechser-Ringe jeweils aus den D(N, O)₄-Tetraedern und/oder E(N, O)₄-Tetraedern auf. Innerhalb einer Schicht sind die D(N, O)₄-Tetraeder und/oder E(N, O)₄-Tetraeder bevorzugt über drei ihrer Ecken verknüpft. Über die vierte Ecke erfolgt eine Verknüpfung zu einer weiteren Schicht. Die Ecke eines D(N, O)₄-Tetraeders und/oder E(N, O)₄-Tetraeders, die nicht zur Verknüpfung innerhalb einer Schicht dient, zeigt insbesondere in Richtung der kristallographischen c-Achse.
Insbesondere bilden die erste Schicht, die zweite Schicht und die dritte Schicht einen Schichtenstapel aus. Ein solcher Schichtenstapel ist bevorzugt mit einem weiteren, inversionssymmetrisch angeordneten Schichtenstapel verknüpft. Auf diese Weise ergibt sich beispielsweise ein Schichtpaket aus insgesamt sechs Schichten. Bevorzugt weisen die Schichten im dem Schichtpaket die folgende Abfolge auf: erste Schicht, zweite Schicht, dritte Schicht, inversionssymmetrische dritte Schicht, inversionssymmetrische zweite Schicht, inversionssymmetrische erste Schicht.
Gemäß einer Ausführungsform des Leuchtstoffs sind EA und RE zwischen den Schichten angeordnet. Insbesondere besetzten EA und RE kristallographische Lagen innerhalb und/oder zwischen den Schichtpaketen. Bevorzugt weist die Kristallstruktur der Wirtsstruktur des Leuchtstoffs zwei unterschiedliche kristallographische Lagen für EA und RE auf. Dabei kann zumindest eine der zwei unterschiedlichen kristallographischen Lagen, bevorzugt beide, mit einer Mischung aus EA und RE besetzt sein.
Es wird weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines Leuchtstoffs angegeben. Vorzugsweise wird mit dem hier beschriebenen Verfahren der Leuchtstoff gemäß den oben genannten Ausführungsformen erzeugt. Es gelten insbesondere alle für den Leuchtstoff gemachten Ausführungen auch für das Verfahren und umgekehrt.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren zur Herstellung eines Leuchtstoffs die Schritte Bereitstellen von Edukten, Vermengen der Edukte zu einem Eduktgemenge und Erhitzen des Eduktgemenges. Der Leuchtstoff weist die Summenformel EA_3-xRE_xD_2+yE_12-yN_20-zO_z:M auf, wobei EA ein Element oder eine Kombination von Elementen aus der Gruppe der zweiwertigen Elemente ist, RE ein Seltenerdelement ist, D ein Element oder eine Kombination von Elementen aus der Gruppe der dreiwertigen Elemente ist, E ein Element oder eine Kombination von Elementen aus der Gruppe der vierwertigen Elemente ist, M ein Aktivator-Element oder eine Kombination von Aktivator-Elementen ist, 0 ≤ x ≤ 3, 0 ≤ y ≤ 12 und z = y - x, wobei z ≥ 0.
Insbesondere ist es möglich, dass durch das Verfahren ein Gemenge hergestellt wird, welches den Leuchtstoff umfasst oder daraus besteht. Weitere Bestandteile des Gemenges können beispielsweise Edukte sein, welche bei der Herstellung des Leuchtstoffs nicht reagiert haben, Verunreinigungen und/oder Nebenphasen, welche bei der Herstellung gebildet wurden.
Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens sind die Edukte ausgewählt aus einer Gruppe, die die Oxide, Nitride, Fluoride, Oxalate, Citrate, Carbonate, Amine und Imide von RE, EA, D, E und M umfasst.
Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens wird das Eduktgemenge auf eine Temperatur im Bereich von einschließlich 1000 °C bis einschließlich 2000 °C, insbesondere auf eine Temperatur im Bereich von einschließlich 1500 °C bis einschließlich 2000 °C, bevorzugt von einschließlich 1800 °C bis einschließlich 1900 °C erhitzt.
Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens findet das Erhitzen des Eduktgemenges unter einer N₂-Atmosphäre oder einer N₂/H₂-Atmosphäre statt.
Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens wird das Erhitzen unter einem Druck von einschließlich 1 bar bis einschließlich 100 bar, insbesondere von einschließlich 5 bar bis einschließlich 50 bar, bevorzugt von einschließlich 10 bar bis einschließlich 30 bar durchgeführt.
Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens erfolgt das Erhitzen des Eduktgemenges für eine Zeit von einschließlich 1 Stunde bis einschließlich 12 Stunden, insbesondere von einschließlich 2 Stunden bis einschließlich 10 Stunden, bevorzugt von einschließlich 3 Stunden bis einschließlich 7 Stunden.
Es wird weiterhin ein strahlungsemittierendes Bauelement mit einem Leuchtstoff angegeben. Vorzugsweise ist der oben beschriebene Leuchtstoff zur Verwendung in einem hier beschriebenen strahlungsemittierenden Bauelement geeignet und vorgesehen. Merkmale und Ausführungsformen, die in Verbindung mit dem Leuchtstoff und/oder dem Verfahren beschrieben sind, gelten auch für das strahlungsemittierende Bauelement und umgekehrt.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das strahlungsemittierende Bauelement einen Halbleiterchip, der im Betrieb elektromagnetische Strahlung eines ersten Wellenlängenbereichs aussendet und ein Konversionselement mit einem hier beschriebenen Leuchtstoff, der elektromagnetische Strahlung des ersten Wellenlängenbereichs in elektromagnetische Strahlung eines zweiten Wellenlängenbereichs konvertiert, der zumindest teilweise von dem ersten Wellenlängenbereich verschieden ist. Insbesondere emittiert das strahlungsemittierende Bauelement ein Mischlicht, bevorzugt weißes Mischlicht, umfassend die elektromagnetische Strahlung des ersten Wellenlängenbereichs und des zweiten Wellenlängenbereichs.
Vorteilhafterweise weist das strahlungsemittierende Bauelement aufgrund des hier beschriebenen Leuchtstoffs einen höheren Farbwiedergabeindex auf. Ferner kann das strahlungsemittierende Bauelement in menschenzentrierter Beleuchtung (engl. „human centric lighting“) eingesetzt werden.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen, Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Leuchtstoffs, des Verfahrens zur Herstellung eines Leuchtstoffs und des strahlungsemittierenden Bauelements ergeben sich aus den folgenden, in Verbindung mit den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen.

1 zeigt eine schematische Darstellung eines Leuchtstoffs gemäß einem Ausführungsbeispiel.
2 bis 5 zeigen schematische Ausschnitte einer Kristallstruktur eines Wirtsgitters eines Leuchtstoffs gemäß einem Ausführungsbeispiel.
6 bis 8 zeigen Emissionsspektren eines Leuchtstoffs gemäß einem Ausführungsbeispiel und eines Leuchtstoffs gemäß einem Vergleichsbeispiel.
9 zeigt schematisch verschiedene Schritte eines Verfahrens zur Herstellung eines Leuchtstoffs gemäß einem Ausführungsbeispiel.
10 zeigt ein strahlungsemittierendes Bauelement gemäß einem Ausführungsbeispiel.

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.
Der Leuchtstoff 1 gemäß der 1 gehorcht der Summenformel EA_3-xRE_xD_2+yE_12-yN_20-zO_z:M auf, wobei EA ein Element oder eine Kombination von Elementen aus der Gruppe der zweiwertigen Elemente ist, RE ein Seltenerdelement ist, D ein Element oder eine Kombination von Elementen aus der Gruppe der dreiwertigen Elemente ist, E ein Element oder eine Kombination von Elementen aus der Gruppe der vierwertigen Elemente ist, M ein Aktivator-Element oder eine Kombination von Aktivator-Elementen ist, 0 ≤ x ≤ 3, 0 ≤ y ≤ 12 und z = y - x, wobei z ≥ 0. Insbesondere weist der Leuchtstoff die Summenformel Ba_3-xLa_xAl_2+xSi_12-xN₂₀:Ce³⁺ auf. Der Leuchtstoff 1 liegt vorliegend in der Form von Partikeln vor, die beispielsweise eine Korngröße zwischen einschließlich 500 Nanometer und einschließlich 100 Mikrometer aufweisen.

Die 2 zeigt einen Ausschnitt aus einer Kristallstruktur 2 eines Wirtsgitters 3 eines Leuchtstoffs 1. Der Leuchtstoff 1 weist vorliegend die Summenformel Ba_3-xLa_xAl_2+xSi_12-xN₂₀:Ce³⁺ auf. Die Kristallstruktur ist aus Blickrichtung der kristallographischen b-Achse gezeigt. Da sich die Elektronendichten von La und Ba sowie Si und Al stark ähneln, ist eine Unterscheidung dieser Atome mittels Röntgenbeugung nicht verlässlich möglich. Daher kann kein exakter Wert für x angegeben werden. Aus der Zusammensetzung der Edukte während des Verfahrens zur Herstellung des Leuchtstoffs lässt sich jedoch x = 1,5 abschätzen. Kristallographischen Daten für Ba_3-xLa_xAl_2+xSi_12-xN₂₀:Ce³⁺ sind in der Tabelle 1 zusammengefasst. Die Tabelle 2 zeigt kristallographische Lageparameter von Ba_3-xLa_xAl_2+xSi_12-xN₂₀:Ce³⁺. Tabelle 1: Kristallographische Daten von Ba_3-xLa_xAl_2+xSi_12-xN₂₀:Ce³⁺.

Summenformel	Ba _3-x La _x Al _2+x Si _12-x N ₂₀:Ce ³⁺
Kristallsystem	Trigonal
Raumgruppe	R3
Gitterparameter
a /pm 539,20(4)	α /° 90
b /pm 539,20(4)	β /° 90
c /pm 5124,9(5)	γ /° 120
Volumen V /nm³	1,2904 (2)
Kristallographische Dichte ρ / g cm^-3	4,165
T /K	296 (2)
Diffraktometer	Bruker D8 Quest
Strahlung	Cu K_α (154,178 nm)
Messbereich	2,5773° ≤ θ ≤ 70,0714°
Gemessene / unabhängige Reflexe	10948/604
Gemessener reziproker Raum	-6 ≤ h ≤ 6;
	-6 ≤ k ≤ 6;
	-63 ≤ 1 ≤ 63
R_all/wR_ref	4,13% / 10,24%
GooF	1,168

Tabelle 2: Kristallographische Lageparameter von Ba_3-xLa_xAl_2+xSi_12-xN₂₀:Ce³⁺.

Name	Atomtyp	Wyckoff-Lage	x	Y	z	Besetzung	U _iso
Ba/La01	Ba/La	6c	1,0	1,0	0, 64723 (2)	1	0,0259(3) U_ani
Ba/La02	Ba/La	3b	0	0	0,5	1	0,0359(3) U_ani
Si01	Si	6c	0,333333	0,666667	0,53206 (6)	1	0,0234 (6)
Si02	Si	6c	0,333333	0,666667	0,46757 (6)	1	0,0238 (6)
Si03	Si	6c	0,666667	0,333333	0,62492 (6)	1	0,0241 (6)
Si04	Si	6c	0,333333	0,666667	0,62719 (6)	1	0,0250 (7)
A101	A1	18f	0,3275 (4)	0,9973(4)	0,57883 (3)	1	0,0222 (5)
N01	N	6c	0,333333	0,666667	0,49999 (16)	1	0,0196 (18)
N02	N	6c	0,666667	0,333333	0,59053 (17)	1	0,024 (2)
N03	N	18f	0,5290 (12)	0,5239(12)	0,63802 (10)	1	0,0290 (12)
N04	N	6c	0	0	0,58881 (19)	1	0,028 (2)
N05	N	18f	0,4000 (12)	0,9987(12)	0,54383 (10)	1	0,0262 (12)
N06	N	6c	0,333333	0,666667	0,59222 (17)	1	0,028 (2)

Der in der 2 gezeigte Ausschnitt der Kristallstruktur 2 des Wirtsgitters 3 des Leuchtstoffs 1 weist allseitig eckenverknüpfte AlN₄-Tetraeder 4 und allseitig eckenverknüpfte SiN₄-Tetraeder 4 auf. Wie zuvor beschrieben ist eine Unterscheidung der AlN₄-Tetraeder 4 und der SiN₄-Tetraeder 4 durch Röntgenbeugung nicht verlässlich möglich. Die AlN₄- und SiN₄-Tetraeder 4 bilden eine erste Schicht 5, eine zweite Schicht 6 und eine dritte Schicht 7 aus. Drei Ecken der SiN₄-Tetraeder 4 und der AlN₄-Tetraeder 4 dienen zur Verknüpfung innerhalb einer der Schichten 5, 6, 7, die vierte Ecke der SiN₄-Tetraeder 4 und der AlN₄-Tetraeder 4 dient zur Verknüpfung zwischen den Schichten 5, 6, 7. Die vierte Ecke zeigt vorliegend in Richtung der kristallographischen c-Achse. Die erste Schicht 5, die zweite Schicht 6 und die dritte Schicht 7 sind jeweils entlang der kristallographischen a- und b-Achse ausgedehnt.
Zwischen den Schichten 5, 6, 7 sind die Ba-Atome 8 und die La-Atome 8 angeordnet. Aufgrund der ähnlichen Elektronendichte von Ba und La können deren Position nicht unterschieden werden. Das Aktivator-Element Ce³⁺ besetzt einen Teil der Positionen der Ba-Atome 8 und der La-Atome 8.
Die erste Schicht 5, die zweite Schicht 6 und die dritte Schicht 7 bilden einen Schichtenstapel 9. Ein Schichtenstapel 9 zusammen mit einem weiteren, inversionssymmetrisch angeordneten Schichtenstapel 9 bildet ein Schichtpaket 10. Ein Schichtpaket 10 umfasst sechs Schichten 5, 6, 7, insbesondere zwei erste Schichten 5, zwei zweiten Schichten 6 und zwei dritte Schichten 7. In dem Schichtpaket 10 sind zwei Schichten 7 über die Ecken der SiN₄- und/oder AlN₄-Tetraeder 4 verknüpft, die nicht zur Verknüpfung innerhalb der Schicht 7 dienen.
Die 3 zeigt einen Schichtenstapel 9 aus Blickrichtung der kristallographischen c-Achse. Die erste Schicht 5 des Schichtenstapels 9 weist vorliegend Sechser-Ringe 11 auf. Ein Sechser-Ring 11 umfasst insgesamt sechs AlN₄- und/oder SiN₄-Tetraeder 4. Die dritte Schicht 7 des Schichtenstapels 9 weist ebenfalls Sechser-Ringe 11 auf. Zur besseren Sichtbarkeit des Aufbaus der ersten Schicht 5 und der dritten Schicht 7 ist ein Ausschnitt einer einzelnen dieser Schichten 5, 7 in der 4 dargestellt. In der Schicht 5, 7 ist ein AlN₄- und/oder SiN₄-Tetraeder 4 mit drei weiteren AlN₄- und/oder SiN₄-Tetraeder 4 verbunden.
Die zweite Schicht 6 umfasst Dreier-Ringe 12, die aus insgesamt drei AlN₄- und/oder SiN₄-Tetraedern 4 gebildet sind. Ein Ausschnitt der zweiten Schicht 6 ist in der 5 gezeigt. In der zweiten Schicht 6 ist ein AlN₄- und/oder SiN₄-Tetraeder 4 mit sechs weiteren AlN₄- und/oder SiN₄-Tetraedern 4 verbunden.
Die 6 zeigt ein Emissionsspektrum E-VB eines Leuchtstoffs 1 gemäß einem Vergleichsbeispiel mit der Summenformel Lu₃Al₅O₁₂:Ce³⁺. Das Emissionsspektrum E-VB ist in einem Wellenlängenbereich von einschließlich 430 Nanometer bis einschließlich 800 Nanometer dargestellt.
In der 7 ist ein Emissionsspektrum E1 eines Leuchtstoffs 1 gemäß dem Ausführungsbeispiel mit der Summenformel Ba_3-xLa_xAl_2+xS_12-xN₂₀:Ce³⁺ gezeigt. Das Emissionsspektrum ist in einem Wellenlängenbereich von einschließlich 380 Nanometer bis einschließlich 800 Nanometer abgebildet. Spektrale Daten des Leuchtstoffs 1 mit der Summenformel Ba_3-xLa_xAl_2+xS_12-xN₂₀:Ce³⁺ nach einer Anregung mit elektromagnetischer Strahlung einer Wellenlänge von etwa 408 Nanometer sind in der Tabelle 3 zusammengefasst. Tabelle 3: Spektrale Daten von Ba_3-xLa_xAl_2+xSi_12-xN₂₀:Ce³⁺.

Ba _3-x La _x Al _2+x Si _12-x N ₂₀: Ce ³⁺

Anregungswellenlänge 408 nm

Dominanzwellenlänge λ_dom 488 nm

Peakwellenlänge λ_max 474 nm

FWHM 93 nm
Die 8 zeigt die Emissionsspektren E-VB und E1 sowie eine melanopische Kurve M. Die Emissionsspektren E-VB und E1 sowie die melanopische Kurve M sind in einem Wellenlängenbereich von einschließlich 380 Nanometer bis einschließlich 880 Nanometer gezeigt. Das Emissionsspektrum E1 des Leuchtstoffs 1 mit der Summenformel Ba_3-xLa_xAl_2+xSi_12- _xN₂₀:Ce³⁺ weist einen deutlich größeren Überlapp mit der melanopischen Kurve M auf als das Emissionsspektrum E-VB des Vergleichsbeispiels mit der Summenformel Lu₃Al₅O₁₂:Ce³⁺. Der größere Überlapp spiegelt sich auch im Vergleich der melanopischen ELR und der relativen melanopischen ELR von Ba_3-xLa_xAl_2+xSi_12-xN₂₀:Ce³⁺ und Lu₃Al₅O₁₂:Ce³⁺ wider, die in der Tabelle 4 gezeigt sind. Tabelle 4: Vergleich der melanopischen ELR.

Leuchtstoff Lu ₃ Al ₅ O ₁₂:Ce ³⁺ Ba _3-x La _x Al _2+x Si _12-x N ₂₀:Ce ³⁺ (Anregung bei 408 nm)

melanopische ELR 0,6572 1,9970

relative melanopische ELR 100 % 304 %
Im Ausführungsbeispiel des Verfahrens zur Herstellung eines Leuchtstoffs 1, das in der 9 gezeigt ist, werden in einem Verfahrensschritt S1 Edukte bereitgestellt. Der Leuchtstoff 1 weist vorliegend die Summenformel Ba_3-xLa_xAl_2+xS_12-xN₂₀:Ce³⁺ auf. Die Edukte sowie deren Einwaagen sind in der Tabelle 5 zusammengefasst. Tabelle 5: Einwaagen zur Synthese von Ba_3-xLa_xAl_2+xSi_12-xN₂₀:Ce³⁺.

Ausführungsbeispiel x CeO ₂ BaN _0.94 LaN Si ₃ N ₄ AlN

1 1,5 0,100 g 2,5804 g 2,6072 g 4,0095 g 0,7029 g

2 1,5 0,100 g 3,8172 g 3,8564 g 1,1865 g 1,0399 g
Die Edukte werden in einem weiteren Verfahrensschritt S2 zu einem Eduktgemenge vermengt. Das Vermengen erfolgt beispielsweise in einem Handmörser, einer Mörsermühle, einer Kugelmühle, oder einem Mehrachsmischer. Das Eduktgemenge wird anschließend in einen Tiegel, beispielsweise aus Wolfram, überführt.
Anschließend wird das Eduktgemenge in einem Verfahrensschritt S3 unter N₂-Atmosphäre oder einer Atmosphäre eines N₂/H₂-Gemischs (95/5%) bei 20 bar für 4 Stunden auf etwa 1850 °C erhitzt. Nach erfolgter Reaktion und Abkühlung wird das Produkt vermahlen. Das Vermahlen erfolgt beispielsweise in einem Handmörser, einer Mörsermühle oder einer Kugelmühle.
Das strahlungsemittierende Bauelement 13 gemäß dem Ausführungsbeispiel der 10 weist einen Halbleiterchip 14 auf, der im Betrieb elektromagnetische Strahlung eines ersten Wellenlängenbereichs emittiert. Der Halbleiterchip 14 umfasst ein Substrat 16, auf das eine Halbleiterschichtenfolge 17 epitaktisch aufgewachsen ist. Die Halbleiterschichtenfolge 17 weist einen aktiven Bereich 18 auf. Der aktive Bereich 18 erzeugt im Betrieb des strahlungsemittierenden Bauelements 13 elektromagnetische Strahlung des ersten Wellenlängenbereichs. Vorliegend emittiert der Halbleiterchip 14 elektromagnetische Strahlung im ultravioletten bis blauen Wellenlängenbereich des elektromagnetischen Spektrums.
Das strahlungsemittierende Bauelement 13 umfasst weiterhin ein Konversionselement 15. Das Konversionselement 14 ist an einer Seite der Halbleiterschichtenfolge 17 angeordnet, die vom Substrat 16 abgewandt ist. Mit anderen Worten ist das Konversionselement 15 dem Halbleiterchip 14 nachgeordnet. Das Konversionselement 15 umfasst einen Leuchtstoff 1, beispielswiese Ba_3-xLa_xA1_2+xSi_12-xN₂₀: Ce³⁺. Vorliegend umfasst das Konversionselement 15 zusätzlich einen weiteren Leuchtstoff 19.
Der Leuchtstoff 1 konvertiert die elektromagnetische Strahlung des ersten Wellenlängenbereichs in elektromagnetische Strahlung eines zweiten Wellenlängenbereichs. Der zweite Wellenlängenbereich ist zumindest teilweise verschieden von dem ersten Wellenlängenbereich. Der zweite Leuchtstoff 19 konvertiert die elektromagnetische Strahlung des ersten Wellenlängenbereichs in elektromagnetische Strahlung eines dritten Wellenlängenbereichs. Der dritte Wellenlängenbereich ist zumindest teilweise verschieden von dem ersten Wellenlängenbereich und/oder dem zweiten Wellenlängenbereich. Beispielsweise ist der zweite Leuchtstoff ein Leuchtstoff aus der Klasse der Granate, wie (Lu, Y, Yb, Gd, Tb)₃ (Ga, Al, Si)₅O₁₂:Ce³⁺. Vorliegend handelt es sich bei dem dritten Wellenlängenbereich um den grünen bis orangen Wellenlängenbereich des elektromagnetischen Spektrums.
Es ist weiterhin möglich, dass das Konversionselement 15 einen dritten Leuchtstoff 20 aufweist, der elektromagnetische Strahlung des ersten Wellenlängenbereichs in elektromagnetische Strahlung eines vierten Wellenlängenbereichs konvertiert, der zumindest teilweise verschieden ist von dem ersten Wellenlängenbereich, dem zweiten Wellenlängenbereich und/oder dem dritten Wellenlängenbereich. Vorliegend handelt es sich bei dem vierten Wellenlängenbereich um den roten Wellenlängenbereich des elektromagnetischen Spektrums. Beispielsweise ist der dritte Leuchtstoff 20 ein rot emittierender Nitridleuchtstoff, wie (Ca, Ba, Sr)₂ (Si, Al)₅ (N, O)₈:Eu²⁺ oder (Sr, Ca) AlSiN₃:Eu²⁺.
Das strahlungsemittierende Bauelement 13 emittiert vorliegend ein Mischlicht, das die elektromagnetische Strahlung des ersten Wellenlängenbereichs, des zweiten Wellenlängenbereichs und des dritten Wellenlängenbereichs umfasst. Bei dem Mischlicht handelt es sich vorliegend um weißes Licht.
Die in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Merkmale und Ausführungsbeispiele können gemäß weiteren Ausführungsbeispielen miteinander kombiniert werden, auch wenn nicht alle Kombinationen explizit beschrieben sind. Weiterhin können die in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Ausführungsbeispiele alternativ oder zusätzlich weitere Merkmale gemäß der Beschreibung im allgemeinen Teil aufweisen.
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

1: Leuchtstoff
2: Kristallstruktur
3: Wirtsgitter
4: Tetraeder
5, 6, 7: Schichten
8: Ba/La-Atom
9: Schichtenstapel
10: Schichtpaket
11: Sechser-Ring
12: Dreier-Ring
13: strahlungsemittierendes Bauelement
14: Halbleiterchip
15: Konversionselement
16: Substrat
17: Halbleiterschichtenfolge
18: aktiver Bereich
19: zweiter Leuchtstoff
20: dritter Leuchtstoff
S1, S2, S3: Verfahrensschritte
E-VB: Emissionsspektrum von Lu₃Al₅O₁₂:Ce³⁺
E1: Emissionsspektrum von Ba_3-xLa_xAl_2+xSi_12-xN₂₀:Ce³⁺
M: melanopische Kurve

Claims

Leuchtstoff (1) mit der Summenformel EA_3-xRE_xD_2+yE_12-yN_20- _zO_z:M, wobei - EA ein Element oder eine Kombination von Elementen aus der Gruppe der zweiwertigen Elemente ist, - RE ein Seltenerdelement ist, - D ein Element oder eine Kombination von Elementen aus der Gruppe der dreiwertigen Elemente ist, - E ein Element oder eine Kombination von Elementen aus der Gruppe der vierwertigen Elemente ist, - M ein Aktivator-Element oder eine Kombination von Aktivator-Elementen ist, und - 0 ≤ x ≤ 3, 0 ≤ y ≤ 12 und z = y - x, wobei z ≥ 0.
Leuchtstoff (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei - EA ein Element oder eine Kombination von Elementen aus der Gruppe gebildet durch Ca, Sr und Ba ist, und/oder - D ein Element oder eine Kombination von Elementen aus der Gruppe gebildet durch Al und Ga ist, und/oder - E Si ist, und/oder - M ein Element oder eine Kombination von Elementen aus der Gruppe gebildet durch Ce und Eu ist.
Leuchtstoff (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Leuchtstoff (1) die Summenformel Ba_3-xLa_xAl_2+ySi_12- _yN_20-zO_z:Ce³⁺ aufweist.
Leuchtstoff (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Leuchtstoff (1) nach Anregung mit elektromagnetischer Strahlung im ultravioletten bis blauen Wellenlängenbereich elektromagnetische Strahlung mit einem Emissionsspektrum, das einen Emissionspeak mit einem Emissionsmaximum im cyanen Wellenlängenbereich aufweist, aussendet.
Leuchtstoff (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Emissionspeak eine Halbwertsbreite im Bereich von einschließlich 80 Nanometer bis einschließlich 110 Nanometer aufweist.
Leuchtstoff (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine von dem Leuchtstoff (1) ausgesandte elektromagnetische Strahlung eine Dominanzwellenlänge λ_dom im Bereich von einschließlich 470 Nanometer bis einschließlich 500 Nanometer aufweist.
Leuchtstoff (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Wirtsgitter (3) des Leuchtstoffs (1) in einer trigonalen Raumgruppe kristallisiert.
Leuchtstoff (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Kristallstruktur (2) des Wirtsgitters (3) des Leuchtstoffs (1) Schichten (5, 6, 7) mit allseitig eckenverknüpften D(N, O)₄-Tetraedern (4) und/oder E(N, O)₄-Tetraedern (4) aufweist.
Verfahren zur Herstellung eines Leuchtstoffs (1) mit der Summenformel EA_3-xRE_xD_2+yE_12-yN_20-zO_z:M, wobei - EA ein Element oder eine Kombination von Elementen aus der Gruppe der zweiwertigen Elemente ist, - RE ein Seltenerdelement ist, - D ein Element oder eine Kombination von Elementen aus der Gruppe der dreiwertigen Elemente ist, - E ein Element oder eine Kombination von Elementen aus der Gruppe der vierwertigen Elemente ist, - M ein Aktivator-Element oder eine Kombination von Aktivator-Elementen ist, und - 0 ≤ x ≤ 3, 0 ≤ y ≤ 12 und z = y - x, wobei z ≥ 0, umfassend die Schritte - Bereitstellen von Edukten, - Vermengen der Edukte zu einem Eduktgemenge, und - Erhitzen des Eduktgemenges.
Strahlungsemittierendes Bauelement (13) mit: - einem Halbleiterchip (14), der im Betrieb elektromagnetische Strahlung eines ersten Wellenlängenbereichs aussendet, und - einem Konversionselement (15) mit einem Leuchtstoff (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, der elektromagnetische Strahlung des ersten Wellenlängenbereichs in elektromagnetische Strahlung eines zweiten Wellenlängenbereichs konvertiert, der zumindest teilweise von dem ersten Wellenlängenbereich verschieden ist.