DE102022119601A1 - Leuchtstoff, verfahren zur herstellung eines leuchtstoffs und strahlungsemittierendes bauelement - Google Patents

Abstract

Es wird ein Leuchtstoff mit der allgemeinen Formel A4L3-xM1+xN9-xOx:RE angegeben, wobei 0 ≤ x ≤ 3,A ein Element oder eine Kombination von Elementen aus der Gruppe der Seltenerdelemente ist,L ein Element oder eine Kombination von Elementen aus der Gruppe der vierwertigen Elemente ist,M ein Element oder eine Kombination von Elementen aus der Gruppe der dreiwertigen Elemente ist, undRE ein Aktivator-Element ist. Es werden weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines Leuchtstoffs und 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. Aufgabe zumindest einer weiteren Ausführungsform ist es, ein Verfahren zur Herstellung eines Leuchtstoffs mit verbesserten Eigenschaften anzugeben. Aufgabe zumindest einer weiteren Ausführungsform ist es, ein strahlungsemittierendes Bauelement mit verbesserten Eigenschaften anzugeben. Diese Aufgaben werden durch einen Leuchtstoff, ein Verfahren sowie ein strahlungsemittierendes Bauelement gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst.
• Es wird ein Leuchtstoff angegeben. Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Leuchtstoff die allgemeine Formel A₄L_3-xM_1+xN_9-xO_x: RE auf, wobei 0 ≤ x ≤ 3. Weiterhin ist A ein Element oder eine Kombination von Elementen aus der Gruppe der Seltenerdelemente, L ein Element oder eine Kombination von Elementen aus der Gruppe der vierwertigen Elemente, M ein Element oder eine Kombination von Elementen aus der Gruppe der dreiwertigen Elemente, und RE ein Aktivator-Element.
• Ein hier beschriebener Leuchtstoff kann elektromagnetische Strahlung einer bestimmten Wellenlänge oder eines bestimmten Wellenlängenbereichs, im Folgenden als Primärstrahlung bezeichnet, in elektromagnetische Strahlung einer zweiten Wellenlänge oder eines zweiten Wellenlängenbereichs, im Folgenden als Sekundärstrahlung bezeichnet, konvertieren. Die Umwandlung von Primärstrahlung in Sekundärstrahlung wird auch als Wellenlängenkonversion bezeichnet. Insbesondere wird bei der Wellenlängenkonversion Primärstrahlung durch ein den Leuchtstoff enthaltendes, wellenlängenkonvertierendes Element absorbiert, durch elektronische Vorgänge auf atomarer und/oder molekularer Ebene in Sekundärstrahlung umgewandelt und wieder ausgesendet. Primär- und Sekundärstrahlung weisen somit zumindest teilweise voneinander verschiedene Wellenlängenbereiche auf, wobei die Sekundärstrahlung gemäß einer Ausführungsform einen langwelligeren Wellenlängenbereich aufweist. Insbesondere ist reine Streuung oder reine Absorption von elektromagnetischer Strahlung vorliegend nicht mit dem Begriff „Wellenlängenkonversion“ gemeint.
• Der Leuchtstoff kann insbesondere ein kristallines, beispielsweise keramisches Wirtsmaterial, in das RE als Aktivatorelement eingebracht ist, aufweisen. Bei dem Leuchtstoff handelt es sich beispielsweise um ein keramisches Material.
• Unter einem Aktivatorelement ist hier und im Folgenden ein Element zu verstehen, das die elektronische Struktur des Wirtsmaterials insofern verändert, dass elektromagnetische Strahlung des ersten Wellenlängenbereichs von dem Leuchtstoff absorbiert werden kann. Diese Primärstrahlung kann in dem Leuchtstoff einen elektronischen Übergang anregen, der unter Aussenden von elektromagnetischer Strahlung des zweiten Wellenlängenbereichs wieder in den Grundzustand übergehen kann. Das Aktivatorelement RE, das in das Wirtsmaterial eingebracht ist, ist somit für die wellenlängenkonvertierenden Eigenschaften des Leuchtstoffs verantwortlich.
• Hier und im Folgenden werden Leuchtstoffe anhand von Summenformeln beschrieben. Die in den Summenformeln aufgeführten Elemente liegen dabei in geladener Form vor. Hier und im Folgenden sind mit Elementen und/oder Atomen in Bezug auf die Summenformeln der Leuchtstoffe somit Ionen in Form von Kationen und Anionen gemeint, auch wenn dies nicht explizit angegeben ist. Dies gilt auch für Elementsymbole, wenn diese der Übersichtlichkeit halber ohne Ladungszahl angegeben werden. Insbesondere liegen A, L, M und RE als Kation vor, während O und N als Anion vorliegen. RE liegt beispielsweise dreifach positiv geladen vor und kann daher auch als RE³⁺ angegeben werden.
• Es ist bei den angegebenen Summenformeln möglich, dass der Leuchtstoff weitere Elemente beispielsweise in Form von Verunreinigungen aufweist. Zusammengenommen weisen diese Verunreinigungen höchstens 5 Mol%, insbesondere höchstens 1 Mol%, bevorzugt höchstens 0,1 Mol% auf.
• Der vorliegende Leuchtstoff kann nach außen hin ungeladen vorliegen. Das bedeutet, dass im Leuchtstoff nach außen hin ein vollständiger Ladungsausgleich zwischen positiven und negativen Ladungen bestehen kann. Es ist hingegen auch möglich, dass der Leuchtstoff formell in geringem Maße keinen vollständigen Ladungsausgleich besitzt.
• Seltenerdelemente umfassen vorliegend die chemischen Elemente der 3. Nebengruppe des Periodensystems sowie die Lanthanoide. Seltenerdelemente sind vorliegend in der Regel ausgewählt aus der Gruppe gebildet durch Scandium, Yttrium, Lanthan, Cer, Praseodym, Neodym, Promethium, Samarium, Europium, Gadolinium, Terbium, Dysprosium, Holmium, Erbium, Thulium, Ytterbium und Lutetium.
• 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.
• 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.
• Ein hier beschriebener Leuchtstoff weist eine über einen breiten Wellenlängenbereich einstellbare Emissionslage auf und kann daher vielseitig verwendet und eingesetzt werden. Insbesondere kann der Leuchtstoff bei Anregung mit einer Primärstrahlung aus dem blauen oder dem UV (UV: ultraviolett) Spektralbereich eine Sekundärstrahlung im blau-grünen bis roten Spektralbereich emittieren. Damit kann er beispielsweise in strahlungsemittierenden Bauelementen, wie zum Beispiel weißes Licht emittierende LEDs (LED: Licht emittierende Diode), eingesetzt werden, in denen ein Halbleiterchip blaue und/oder UV Primärstrahlung emittiert, welche von dem Leuchtstoff zum Teil in Sekundärstrahlung umgewandelt wird.
• Andererseits kann der hier beschriebene Leuchtstoff auch zur Vollkonversion in LEDs eingesetzt werden, wenn er die Primärstrahlung vollständig in Sekundärstrahlung umwandelt. Emittiert der Leuchtstoff beispielsweise im orangenen Spektralbereich, kann eine LED bei Vollkonversion dann zum Beispiel für Blinklichter von Automobilen Verwendung finden.
• Emittiert der Leuchtstoff im blau-grünen oder gelb-grünen Spektralbereich, ist er auch für Human Centric Lighting (HCL) Anwendungen geeignet, bei denen es auf die Auswirkungen des Lichts auf den Menschen ankommt. Da die spektrale Lage einer von dem Leuchtstoff emittierten elektromagnetischen Strahlung im blau-grünen bzw. grün-gelben Bereich einen hohen Überlapp mit der melanopischen Kurve aufweist, kann somit insbesondere auf die Wachheit des Betrachters Einfluss genommen werden.
• Zudem weist der hier beschriebene Leuchtstoff einen im Vergleich zu herkömmlichen Leuchtstoffen erweiterten Farbtemperatur (CCT, correlated colour temperature)-Bereich und verbesserte Werte des Farbwiedergabeindex (CRI, colour rendering index) auf.
• Bislang sind kaum kommerzielle Leuchtstoffe bekannt, die eine breite Einstellbarkeit der Emission aufweisen, die also beispielsweise blaue Primärstrahlung in Sekundärstrahlung mit unterschiedlichen Wellenlängenbereichen konvertieren können. Für die einzelnen Spektralbereiche gibt es daher bislang verschiedene Materialsysteme, die jeweils nur einen gewissen Grad der Anpassbarkeit der Emissionsbande zulassen, also nur bedingt einstellbar sind. Beispielsweise werden für die Konversion in den grünen und gelben Spektralbereich üblicherweise Vertreter des Granatsystems (Y, Gd, Tb)₃ (Al, Ga)₅ O₁₂:Ce³⁺ verwendet, mit denen Dominanzwellenlängen (λ_dom) von 555 nm bis 575 nm realisiert werden können. Für den roten bis tiefroten Spektralbereich sind zum Beispiel die Systeme (Ca, Sr, Ba)₂ Si₅N₈:Eu²⁺ und (Ca, Sr) AlSiN₃:Eu²⁺ bekannt. Mit dem System (Ca, Sr, Ba)₂ Si₅N₈:Eu²⁺ sind üblicherweise Dominanzwellenlängen von 580 nm bis 610 nm realisierbar.
• Im Gegensatz dazu weist der hier beschriebene Leuchtstoff eine Einstellbarkeit über einen breiten Wellenlängenbereich vom blau-grünen bis roten Spektralbereich auf. Eine kontrollierte Verschiebbarkeit bzw. Anpassbarkeit der Emissionslage über einen derart großen Wellenlängenbereich mit nur einem Leuchtstoffsystem ist für verschiedene Anwendungen vorteilhaft, da sie effiziente und/oder einfache und damit günstige Lösungen für die Anwendung darstellen. Bei dem hier beschriebenen Leuchtstoff kann die Emissionslage beispielsweise über die Zusammensetzung und/oder den Gehalt an Aktivatorelement gesteuert werden. Beispielsweise kann die Emissionslage mit zunehmendem Gehalt an dem Aktivatorelement RE in Richtung Rot verschoben werden.
• Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist RE ein Element oder eine Kombination von Elementen aus der Gruppe Ce, Eu, Tb, Sm und Pr. Insbesondere ist RE Ce. Ce liegt dann dreifach positiv geladen in dem Leuchtstoff vor und kann auch als Ce³⁺ angegeben werden. Die Verwendung von Ce als Aktivator-Element kann zu einem Leuchtstoff führen, der besonders stabil gegenüber Quenching ist.
• Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist L Si. Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform ist M Al.
• Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform weist der Leuchtstoff die allgemeine Formel La₄Si_3-xAl_1+xN_9-xO_x: Ce auf. Ein solcher Leuchtstoff emittiert, insbesondere breitbandig, im blau-grünen bis roten Spektralbereich und kann daher ohne Kombination mit anderen Leuchtstoffen für Lösungen eingesetzt werden, die breitbandige Emission in diesen Spektralbereichen benötigen, beispielsweise in warmweißen Beleuchtungseinrichtungen.
• Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst der Leuchtstoff ein kristallines, beispielsweise keramisches, Wirtsgitter. Bei dem Leuchtstoff handelt es sich beispielsweise um ein keramisches Material.
• 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 L, M, N und O besetzen darin jeweils festgelegte Plätze, sogenannte Punktlagen, der dreidimensionalen Elementarzelle des Wirtsgitters.
• Zur eindeutigen Beschreibung der dreidimensionalen Elementarzelle des kristallinen Wirtsgitters werden 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 kristallisiert der hier beschriebene Leuchtstoff in einer monoklinen Raumgruppe. Insbesondere kristallisiert der Leuchtstoff in der monoklinen Raumgruppe P2₁/n. Das kann beispielsweise mittels Einkristallröntgenbeugung bestimmt werden. Gemäß zumindest einer Ausführungsform kristallisiert der Leuchtstoff in der monoklinen Raumgruppe P2₁/n und weist Gitterparameter auf, die folgende Bereiche aufweisen: 650 pm ≤ a ≤ 700 pm, 530 pm ≤ b ≤ 580 pm, 1250 pm ≤ c ≤ 1310 pm, 85° ≤ α ≤ 95°, 95° ≤ β ≤ 115°, 85° ≤ γ ≤ 95°.
• Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Leuchtstoff erste L-zentrierte L(N,O)₄-Tetraeder, erste M-zentrierte M(N,O)₄-Tetraeder, zweite L-zentrierte L(N,O)₄-Tetraeder und zweite M-zentrierte M(N,O)₄-Tetraeder auf. Es gibt somit zwei kristallographisch unterschiedliche Arten von Tetraedern, die Tetraeder der ersten Art, also die ersten M- bzw. L-zentrierten L(N,O)₄-Tetraeder und M(N,O)₄-Tetraeder, und die Tetraeder der zweiten Art, also die zweiten M- bzw. L-zentrierten L(N,O)₄-Tetraeder und M(N,O)₄-Tetraeder. Beispielsweise weist der Leuchtstoff erste und zweite Sizentrierte Si(N,O)₄-Tetraeder und erste und zweite Alzentrierte Al(N,O)₄-Tetraeder auf.
• Die Tetraeder weisen gemäß zumindest einer Ausführungsform jeweils eine Tetraederlücke auf. Die Tetraederlücke ist ein Bereich im Innern des jeweiligen Tetraeders. Beispielsweise wird mit dem Begriff „Tetraederlücke“ der Bereich im Innern des Tetraeders bezeichnet, der frei bleibt, wenn in die Ecken des Tetraeders sich berührende Kugeln gesetzt werden.
• Die N- und/oder O-Atome der Tetraeder spannen das Tetraeder auf, wobei sich in der Tetraederlücke des aufgespannten Tetraeders das L- bzw. M-Atom befindet. Das L- bzw. M-Atom ist tetraederförmig von vier N- und/oder O-Atomen umgeben. Insbesondere haben alle Atome, die das Tetraeder aufspannen, einen ähnlichen Abstand zu dem L- oder M-Atom, das sich in der Tetraederlücke befindet.
• Gemäß zumindest einer Ausführungsform liegen die ersten L-zentrierten L(N,O)₄-Tetraeder und M-zentrierten M(N,O)₄-Tetraeder allseitig eckenverknüpft vor. Allseitig eckenverknüpft bedeutet, dass jeder Tetraeder über alle vier Ecken mit jeweils einer Ecke eines anderen Tetraeders verknüpft ist. Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform weisen die zweiten L-zentrierten L(N,O)₄-Tetraeder und M-zentrierten M(N,O)₄-Tetraeder jeweils ein endständiges N oder O auf. Die Tetraeder der zweiten Art sind somit über insgesamt drei Ecken zu weiteren Tetraedern verknüpft. Die ersten und zweiten Tetraeder bilden somit gemeinsam eine dreidimensionale Raumnetzstruktur aus eckenverknüpften Tetraedern aus.
• Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die ersten L-zentrierten L(N,O)₄-Tetraeder und M-zentrierten M(N,O)₄-Tetraeder zu zwei ersten L-zentrierten L(N,O)₄-Tetraedern und/oder M-zentrierten M(N,O)₄-Tetraedern und zu zwei zweiten L-zentrierten L(N,O)₄-Tetraedern und/oder M-zentrierten M(N,O)₄-Tetraedern verknüpft. Mit anderen Worten sind die Tetraeder der ersten Art allseitig eckenverknüpft zu zwei weiteren Tetraedern der ersten Art und zu zwei Tetraedern der zweiten Art.
• Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die zweiten L-zentrierten L(N,O)₄-Tetraeder und M-zentrierten M(N,O)₄-Tetraeder zu zwei ersten L-zentrierten L(N,O)₄-Tetraedern und/oder M-zentrierten M(N,O)₄-Tetraedern und zu einem zweiten L-zentrierten L(N,O)₄-Tetraeder oder M-zentrierten M(N,O)₄-Tetraeder verknüpft. Mit anderen Worten sind die Tetraeder der zweiten Art über insgesamt drei Ecken zu zwei Tetraedern der ersten Art und einem Tetraeder der zweiten Art verknüpft.
• Gemäß zumindest einer Ausführungsform bilden die ersten L-zentrierten L(N,O)₄-Tetraeder, ersten M-zentrierten M(N,O)₄-Tetraeder, zweiten L-zentrierten L(N,O)₄-Tetraeder und zweiten M-zentrierten M(N,O)₄-Tetraeder Viererringe. Mit anderen Worten bilden die Tetraeder der ersten Art und die Tetraeder der zweiten Art Viererringe. Diese Viererringe können dabei jeweils zwei Tetraeder der ersten Art und zwei Tetraeder der zweiten Art enthalten, wobei ein Tetraeder einer Art innerhalb des Viererrings jeweils nur mit zwei Tetraedern der anderen Art verknüpft ist. Es kann, mit anderen Worten, eine alternierende Abfolge der beiden Tetraeder-Arten innerhalb der Viererringe vorliegen.
• Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die Viererringe über Ecken der Tetraeder mit weiteren Viererringen verbunden. Die Verknüpfung zum nächsten Viererring kann dabei zu einem Tetraeder der gleichen Art erfolgen. Die Tetraeder der ersten Art verbrücken so zu zwei weiteren Tetraedern der ersten Art, die jeweils Teil von zwei weiteren Viererringen sind. Die Tetraeder der zweiten Art verknüpfen nur zu einem weiteren Tetraeder der zweiten Art, der Teil eines weiteren Viererrings ist. Die vierte Ecke der Tetraeder der zweiten Art weist ein endständiges Anion, also N oder O, auf.
• In der durch die eckenverknüpften Tetraeder gebildeten dreidimensionalen Raumnetzstruktur können Hohlräume bzw. Kanäle entstehen, in denen die A-Atome, beispielsweise La, angeordnet sind. Die A-Atome sind dabei auf zwei kristallographische Lagen, also symmetrisch unterschiedliche Lagen, verteilt. In beiden Lagen kann das A-Atom von sieben Anionen, also N und/oder O, umgeben sein, wobei die Anionen jeweils verzerrte, einfach überkappte Oktaeder ausbilden.
• Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Leuchtstoff einen Absorptionsbereich zumindest im UV bis blauen Wellenlängenbereich des elektromagnetischen Spektrums auf. Der Leuchtstoff kann somit beispielsweise mit blauer oder UV-Strahlung emittierenden Halbleiterchips zur Emission von Strahlung angeregt werden.
• Gemäß zumindest einer Ausführungsform emittiert der Leuchtstoff im blau-grünen bis roten Wellenlängenbereich des elektromagnetischen Spektrums. Damit ist der Leuchtstoff für die Anwendung als Konversionsleuchtstoff, beispielsweise in LEDs, in verschiedenen Farbbereichen geeignet und somit flexibel einsetzbar. Beispielsweise kann ein hier beschriebener, im gelb-orangenen Spektralbereich emittierender Leuchtstoff gut als Einzelkonversionsleuchtstofflösung für warmweiße LEDs eingesetzt werden. Andererseits kann ein hier beschriebener, im blau-grünen Spektralbereich emittierender Leuchtstoff als blau-grüne Komponente in HCL-Anwendungen eingesetzt werden.
• Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist eine von dem Leuchtstoff emittierte elektromagnetische Strahlung eine Dominanzwellenlänge (λ_dom) zwischen einschließlich 500 nm und einschließlich 600 nm, insbesondere zwischen einschließlich 510 nm bis einschließlich 590 nm auf. Dieser Bereich ist im Vergleich zu herkömmlichen Leuchtstoffen deutlich erweitert.
• Zur Bestimmung der Dominanzwellenlänge der von dem Leuchtstoff ausgesandten elektromagnetischen Strahlung wird in dem CIE-Normdiagramm ausgehend vom Weißpunkt durch den Farbort der elektromagnetischen Strahlung eine gerade Linie gezogen. Der Schnittpunkt der geraden Linie mit der das CIE-Normdiagramm begrenzenden Spektralfarblinie bezeichnet die Dominanzwellenlänge der elektromagnetischen Strahlung. Im Allgemeinen weicht die Dominanzwellenlänge von der Wellenlänge des Emissionsmaximums ab.
• Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist eine von dem Leuchtstoff emittierte elektromagnetische Strahlung ein Emissionsmaximum zumindest eines Emissionspeaks zwischen einschließlich 480 nm und einschließlich 630 nm, insbesondere zwischen einschließlich 485 nm bis einschließlich 625 nm, auf.
• Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist eine von dem Leuchtstoff emittierte elektromagnetische Strahlung eine spektrale Halbwertsbreite zwischen einschließlich 70 nm und einschließlich 160 nm, insbesondere zwischen einschließlich 75 bis einschließlich 150 nm, auf. Der Leuchtstoff emittiert somit breitbandig und kann daher ohne Kombination mit anderen Leuchtstoffen für Lösungen eingesetzt werden, die breitbandige Emission in bestimmten Spektralbereichen benötigen.
• Es wird weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines Leuchtstoffs angegeben. 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 mit dem Verfahren ein Leuchtstoff mit der allgemeinen Formel A₄L_3-xM_1+xN_9-xO_x:RE wobei 0 ≤ x ≤ 3, A ein Element oder eine Kombination von Elementen aus der Gruppe der Seltenerdelemente ist, L ein Element oder eine Kombination von Elementen aus der Gruppe der vierwertigen Elemente ist, M ein Element oder eine Kombination von Elementen aus der Gruppe der dreiwertigen Elemente ist, und RE ein Aktivator-Element ist, hergestellt.
• Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das Verfahren die Schritte
• - Bereitstellen von Edukten,
• - Vermengen der Edukte zu einem Eduktgemenge, und
• - Erhitzen des Eduktgemenges.
• Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die Edukte ausgewählt aus einer Gruppe, die Oxide, Nitride, Carbonate, Nitrate, Oxalate, Citrate und Hydroxide jeweils von A, L, M und RE und Kombinationen daraus umfasst. Beispielsweise können als Edukte LaN, Si₃N₄, AlN, Al₂O₃ und CeO₂ ausgewählt werden. Mit diesen Edukten kann beispielsweise der Leuchtstoff mit der Zusammensetzung La₄Si_3-xAl_1+xN_9-xO_x: Ce³⁺ hergestellt werden.
• Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird das Vermengen in einem Handmörser, einer Mörsermühle, einer Kugelmühle oder einem Mehrachsmischer durchgeführt. Andere zum Vermengen der Edukte geeignete Vorrichtungen sind ebenso denkbar.
• Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird das Eduktgemenge vor dem Erhitzen in einen Tiegel überführt. Der Tiegel kann beispielsweise aus Wolfram bestehen.
• Während des Erhitzens wird das Eduktgemenge zur Reaktion gebracht und der Leuchtstoff gebildet.
• Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird das Eduktgemenge auf eine Temperatur aus dem Bereich zwischen einschließlich 1500°C bis einschließlich 1900°C erhitzt. Beispielsweise wird das Eduktgemenge auf eine Temperatur von 1700°C erhitzt.
• Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird das Eduktgemenge für einen Zeitraum von einschließlich 10 Stunden bis einschließlich 14 Stunden erhitzt. Beispielsweise wird das Eduktgemenge für 12 Stunden erhitzt.
• Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird das Eduktgemenge unter Formiergasatmosphäre oder N₂-Atmosphäre erhitzt. Die Formiergasatmosphäre kann sich gemäß einer Ausführungsform aus N₂ und H₂, mit beispielsweise einem Verhältnis von 95/5, zusammensetzen.
• Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird das Eduktgemenge unter einem Druck aus von bis zu 12 bar, insbesondere unter einem Druck von einschließlich 1 bar bis einschließlich 10 bar, erhitzt.
• Im Anschluss an das Erhitzen, kann das erhaltene Produkt abgekühlt und vermahlen werden. Das Vermahlen kann wieder in einem Handmörser, einer Mörsermühle oder einer Kugelmühle erfolgen.
• Es wird weiterhin ein strahlungsemittierendes Bauelement angegeben. 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 dem Verfahren zur Herstellung eines Leuchtstoffs beschrieben sind, gelten somit ebenso für das strahlungsemittierende Bauelement und umgekehrt.
• Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das strahlungsemittierende Bauelement
• - einen Halbleiterchip, der im Betrieb elektromagnetische Strahlung eines ersten Wellenlängenbereichs emittiert, und
• - ein Konversionselement, das einen hier beschriebenen Leuchtstoff aufweist, der elektromagnetische Strahlung des ersten Wellenlängenbereichs in elektromagnetische Strahlung eines zweiten Wellenlängenbereichs umwandelt, der von dem ersten Wellenlängenbereich zumindest teilweise verschieden ist.
• 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 Licht emittierende Diode (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, eine 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, insbesondere 400 nm bis 480 nm, auf.
• Das Konversionselement ist gemäß einer Ausführungsform auf dem Halbleiterchip, insbesondere auf einer Strahlungsaustrittsfläche des Halbleiterchips, beispielsweise im Strahlengang des Halbleiterchips angeordnet. Damit trifft zumindest ein Teil der von dem Halbleiterchip emittierten Strahlung auf das Konversionselement.
• Der 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.
• 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, insbesondere warmweißes, 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, insbesondere aus dem blau-grünen bis roten, beispielsweise aus dem gelb-orangenen Bereich.
• Aufgrund der Beschaffenheit des hier beschriebenen Leuchtstoffs kann das strahlungsemittierende Bauelement für vielseitige Anwendungen eingesetzt werden. Die breitbandige Emission des Leuchtstoffs im blau-grünen bis roten Spektralbereich erlaubt seinen alleinigen Einsatz in dem Konversionselement, beispielsweise in warmweißen Beleuchtungseinrichtungen. Emittiert der Leuchtstoff beispielsweise im gelborange-roten Spektralbereich kann das strahlungsemittierende Bauelement eingesetzt werden, wenn es neben Helligkeit auch auf einen leichten roten Anteil in der emittierten Strahlung ankommt, wie es beispielsweise bei Beleuchtungslösungen für Allgemeinbeleuchtung, Automobilscheinwerfer oder Blinker der Fall ist. Auch für HCL-Anwendungen kann ein strahlungsemittierendes Bauelement, das den hier beschriebenen Leuchtstoff enthält, gut eingesetzt werden, wenn der Leuchtstoff beispielsweise im blau-grünen oder grün-gelben Spektralbereich emittiert und die von dem strahlungsemittierenden Bauelement emittierte Strahlung dadurch einen hohen Überlapp mit der melanopischen Kurve aufweist.
• Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das Konversionselement frei von einem weiteren Leuchtstoff. Aufgrund seiner Beschaffenheit kann der hier beschriebene Leuchtstoff gut ohne Kombination mit anderen Leuchtstoffen eingesetzt werden, beispielsweise wenn eine breitbandige Emission in blau-grünen oder grün-gelben bis roten Spektralbereichen gewünscht ist.
• Alternativ kann gemäß einer weiteren Ausführungsform zumindest ein weiterer Leuchtstoff in dem Konversionselement vorhanden sein. Der zumindest eine weitere Leuchtstoff kann beispielsweise ausgewählt sein aus der Gruppe umfassend Ce³⁺ dotierte Granate wie YAG und LuAG, beispielsweise (Y, Lu, Gd, Tb)₃ (Al_1-x, Ga_x)₅O₁₂ :Ce³⁺; Eu²⁺ dotierte Nitride, beispielsweise (Ca, Sr)AlSiN₃:Eu²⁺, Sr (Ca, Sr) Si₂Al₂N₆:Eu²⁺ (SCASN), (Ca, Ba, Sr)₂ Si₅N₈: Eu²⁺, SrLiAl₃N₄: Eu²⁺, SrLi₂Al₂O₂N₂:Eu²⁺; Ce³⁺ dotierte Nitride, beispielsweise (Ca,Sr)Al(_1-4x/3) Si_(1+x)N₃:Ce; (x = 0,2 - 0,5); Eu²⁺ dotierte Sulfide, (Ba, Sr, Ca) S1₂O₂N₂ : Eu²⁺, SiAlONe, Nitrido-Orthosilikate, Orthosilikate (Ba, Sr, Ca)₂ SiO₄:Eu²⁺; Chlorosilikate (z.B. Ca₈Mg (SiO₄)₄ Cl₂:Eu²⁺) ; Mn⁴⁺ dotierte Fluoride, beispielsweise (K, Na)₂ (Si, Ti) F₆:Mn⁴⁺; Eu²⁺ bzw Ce³⁺ dotierte Litho-Silikate, wie (Li, Na, K, Rb, Cs) (Li₃SiO₄) :E mit E als Eu²⁺, Ce³⁺, bzw. (Sr, Li) Li₃AlO₄: Eu²⁺ oder SrLi₃AlO₄: Eu²⁺.
• Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das Konversionselement als Konversionsschicht ausgebildet. Die Konversionsschicht kann in direktem oder in indirektem Kontakt zu dem Halbleiterchip, insbesondere zu der Strahlungsaustrittsfläche des Halbleiterchips, aufgebracht sein. Im Falle eines indirekten Kontakts kann sie mit Hilfe von beispielsweise einer Klebeschicht auf den Halbleiterchip aufgebracht sein oder zwischen dem Halbleiterchip und dem Konversionselement kann ein Verguss angebracht sein.
• Halbleiterchip, optional die Konversionsschicht und gegebenenfalls eine Klebeschicht können gemäß einer weiteren Ausführungsform von einem Verguss umgeben sein. Beispielsweise sind Halbleiterchip, Konversionselement und gegebenenfalls eine Klebeschicht alle von einem Verguss umgeben. Dann können Halbleiterchip, Konversionsschicht und gegebenenfalls Klebeschicht in der Vertiefung eines Gehäuses angeordnet sein, in der weiterhin der Verguss angeordnet ist.
• Ein Verguss kann eine Durchlässigkeit für die Primärstrahlung und/oder die Sekundärstrahlung und/oder die von weiteren vorhandenen Leuchtstoffen emittierte Strahlung aufweisen, die mindestens 85 %, bevorzugt 95 % beträgt. Weiterhin kann ein Verguss als Material beispielsweise Silikon oder Epoxidharz aufweisen.
• Gemäß zumindest einer Ausführungsform liegt der Leuchtstoff in dem Konversionselement als Keramik vor. Die Konversionsschicht kann aus dem die Keramik bildenden Leuchtstoff bestehen.
• Gemäß zumindest einer Ausführungsform liegt der Leuchtstoff in dem Konversionselement in eine Matrix eingebettet vor. Insbesondere liegt der Leuchtstoff in Partikelform in eine Matrix eingebettet vor.
• Die Matrix kann beispielsweise ein Material aufweisen, das aus einer Gruppe ausgewählt ist, die Polymere und Glas umfasst. 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 Leuchtstoffs, des Verfahrens und des Bauelements ergeben sich aus den im Folgenden in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Ausführungsbeispielen.
• 1 zeigt eine schematische Schnittansicht eines strahlungsemittierenden Bauelements gemäß einem Ausführungsbeispiel.
• 2 zeigt eine schematische Schnittansicht eines strahlungsemittierenden Bauelements gemäß einem Ausführungsbeispiel.
• 3 zeigt einen Ausschnitt der Kristallstruktur von einem Leuchtstoff gemäß einem Ausführungsbeispiel.
• 4 zeigt Emissionsspektren von Leuchtstoffen gemäß Ausführungsbeispielen.
• 5 zeigt das Emissionsspektrum eines Vergleichsbeispiels.
• 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.
• 1 zeigt eine schematische Schnittansicht eines strahlungsemittierenden Bauelements 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das strahlungsemittierende Bauelement 100 weist einen Halbleiterchip 10 auf. 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 Wellenlängen im blauen und/oder UV Bereich auf.
• Weiterhin weist das Bauelement ein Konversionselement 20 auf. Das Konversionselement 20 enthält entweder eine Matrix, in der der Leuchtstoff 1, insbesondere Partikel des Leuchtstoffs 1, eingebettet ist, oder das Konversionselement 20 weist eine aus dem Leuchtstoff 1 gebildete Keramik auf oder besteht daraus.
• Das Konversionselement 20, das hier als Konversionsschicht ausgebildet ist, ist in diesem Ausführungsbeispiel direkt auf dem Halbeiterchip 10 aufgebracht, insbesondere auf seiner Strahlungsaustrittfläche 11. Das Konversionselement 20 kann auch beispielsweise mittels einer Klebeschicht (hier nicht explizit gezeigt) an dem Halbleiterchip 10 befestigt sein.
• Der Halbleiterchip 10 mit dem darauf angeordneten Konversionselement 20 ist in der Ausnehmung eines Gehäuses 30 angeordnet. Das Gehäuse 30 hat in diesem Ausführungsbeispiel 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 (hier nicht gezeigt). Das Vorhandensein eines Vergusses 40 ist jedoch nicht zwingend erforderlich.
• Alternativ kann das Gehäuse 30 auch keine Seitenwände und damit keine Ausnehmung aufweisen und als Träger ausgebildet sein (hier nicht gezeigt).
• 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines strahlungsemittierenden Bauelements. Für die Elemente mit gleichen Bezugszeichen gelten die in Bezug auf 1 gemachten Ausführungen, wenn nichts anderes dazu angegeben wird.
• 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 eines Vergusses 40, der in der Vertiefung des Gehäuses 30 angeordnet ist. Auch hier ist das Konversionselement 20 wieder als Konversionsschicht ausgebildet. Der Verguss 40 kann beispielsweise aus einem Silikon oder Epoxidharz gebildet sein und weist eine Durchlässigkeit für elektromagnetische Strahlung des Halbleiterchips 10 auf, die mindestens 85%, bevorzugt 95% beträgt.
• Bei den in den 1 und 2 gezeigten Bauelementen handelt es sich beispielsweise um LEDs. Der Übersichtlichkeit halber sind in den 1 und 2 zusätzlich vorhandene Elemente, wie beispielsweise elektrische Kontaktierungen, nicht gezeigt.
• Als Leuchtstoff 1 kann ein Leuchtstoff der allgemeinen Formel A₄L_3-xM_1+xN_9-xO_x:RE, wobei 0 ≤ x ≤ 3,
  A ein Element oder eine Kombination von Elementen aus der Gruppe der Seltenerdelemente ist,
  L ein Element oder eine Kombination von Elementen aus der Gruppe der vierwertigen Elemente ist,
  M ein Element oder eine Kombination von Elementen aus der Gruppe der dreiwertigen Elemente ist, und
  RE ein Aktivator-Element ist, verwendet werden.
• Im Folgenden wird der Leuchtstoff 1 anhand der Ausführungsbeispiele 1 bis 5 mit der Zusammensetzung La₄Si_3-xAl_1+xN_9-xO_x :Ce näher erläutert. In den Ausführungsbeispielen 1 bis 5 ist jeweils La als A, Si als L, Al als M und Ce als RE ausgewählt ist und x variabel.
• Zur Synthese von La₄Si_3-xAl_1+xN_9-xO_x: Ce werden die Edukte LaN, Si₃N₄, AlN, optional Al₂O₃ und CeO₂ miteinander vermengt. Das kann beispielsweise in einem Handmörser, einer Mörsermühle, einer Kugelmühle, einem Mehrachsmischer oder ähnlichem erfolgen. Das erhaltene Eduktgemenge wird anschließend in einen Tiegel überführt, welcher beispielsweise aus Wolfram bestehen kann. Das Eduktgemenge wird anschließend unter Formiergas-Atmosphäre bei 1700°C und einem Druck von 1 bar bis 10 bar für 12 Stunden erhitzt und damit zur Reaktion gebracht. Nach erfolgter Reaktion und Abkühlung wird das erhaltene Produkt vermahlen, was zum Beispiel wieder in einem Handmörser, einer Mörsermühle oder einer Kugelmühle erfolgen kann. Anschließend wird der so erhaltene Leuchtstoff 1 charakterisiert.
• Man erhält ein dunkelrotbraunes Pulver, das unter ultraviolettem oder blauem Licht blau-grünlich bzw. grüngelblich bis rötlich fluoresziert.
• In Tabelle 1 sind die exemplarischen Einwaagen der Edukte für die einzelnen Ausführungsbeispiele 1 bis 5 aufgeführt. Tabelle 1

  Ausführungsbei spiel	x	CeO2	LaN	Si3N4	AlN
  1	1,00	0,1 g	8,6548 g	0,5816 g	0,6636 g
  2	2,20	0,02 g	1,5468 g	0,0961 g	0,3370 g
  3	1, 67	0,02 g	1,3868 g	0,2155 g	0,3777 g
  4	0, 60	0,02 g	1,5285 g	0,2850 g	0,1665 g
  5	0, 00	0,05 g	3,8518 g	0,8886 g	0,2596 g

• Weiterhin sind in Tabelle 1 auch Werte für den Parameter x aufgeführt, der aus dem nominalen Verhältnis der Elemente Si und Al bestimmt wurde und eine gute erste Abschätzung für das tatsächliche Verhältnis von Si:Al darstellt.
• 3 zeigt einen Ausschnitt der Kristallstruktur des Leuchtstoffs 1 mit der Zusammensetzung La₄Si_3-xAl_1+xN_9-xO_x: Ce. Die unausgefüllten Kreise stellen die La-Ionen dar, die schraffierten Flächen stellen die (N,O)₄-Tetraeder, die entweder Si umgeben, also Si-zentriert sind, oder Al umgeben, also Al-zentriert sind, dar. Zu erkennen sind die Viererringe, die von den Tetraedern gebildet werden und eigentlich schräg in der Ebene liegen.
• In 3 wird nicht zwischen den Tetraedern der ersten Art und den Tetraedern der zweiten Art unterschieden. Es sind jedoch erste Si(N,O)₄-Tetraeder und zweite Si(N,O)₄-Tetraeder sowie erste Al(N,O)₄-Tetraeder und zweite Al(N,O)₄-Tetrader vorhanden, wobei sich erste und zweite Tetraeder kristallographisch unterscheiden. Die ersten Si(N,O)₄-Tetraeder und ersten Al(N,O)₄-Tetraeder liegen allseitig eckenverknüpft zu zwei weiteren ersten Si(N,O)₄-Tetraedern und/oder ersten Al(N,O)₄-Tetraedern und zwei zweiten Si(N,O)₄-Tetraedern und/oder zweiten Al(N,O)₄-Tetraedern vor. Die zweiten Si(N,O)₄-Tetraeder und zweiten Al(N,O)₄-Tetraeder sind über insgesamt drei Ecken zu zwei ersten Si(N,O)₄-Tetraedern und/oder ersten Al(N,O)₄-Tetraedern und einem zweiten Si(N,O)₄-Tetraeder oder zweiten Al(N,O)₄-Tetraeder verknüpft.
• Die in 3 gezeigten Viererringe enthalten jeweils zwei Tetraeder der ersten Art und zwei Tetraeder der zweiten Art, wobei ein Tetraeder der einen Art innerhalb des Viererrings jeweils nur mit zwei Tetraedern der anderen Art verknüpft ist, also innerhalb des Viererrings eine alternierende Abfolge der ersten und zweiten Tetraeder vorliegt (nicht explizit dargestellt). Die Viererringe sind über Ecken der Tetraeder mit weiteren Viererringen verbunden. Die Verknüpfung zum nächsten Viererring erfolgt dabei zu einem Tetraeder der gleichen Art. Die Tetraeder der ersten Art verbrücken so zu zwei weiteren Tetraedern der ersten Art, die jeweils Teil von zwei weiteren Viererringen sind. Die Tetraeder der zweiten Art verknüpfen nur zu einem weiteren Tetraeder der zweiten Art, der Teil eines weiteren Viererrings ist. Die vierte Ecke der Tetraeder der zweiten Art weist ein endständiges Anion (N oder O) auf.
• Auf diese Weise entsteht ein dreidimensionales Netzwerk aus eckenverknüpften Tetraedern. In diesem Raumnetz entstehen Hohlräume oder Kanäle, in denen die La-Ionen (unausgefüllte Kreise in 3) angeordnet sind. Die La-Ionen sind dabei auf zwei kristallographische Lagen verteilt. Das bedeutet, dass es in der Struktur zwei symmetrisch unterschiedliche Lagen gibt, auf denen La zu finden ist. Beide La-Lagen sind von sieben Anionen, also N und/oder O, umgeben. Dabei bilden die Anionen jeweils verzerrte, einfach überkappte Oktaeder aus.
• Die Struktur des Leuchtstoffs 1 anhand der Ausführungsbeispiele wird mittels Einkristallröntgenbeugung bestimmt. Tabelle 2 zeigt die Gitterparameter, kristallographischen Daten sowie die grundlegenden Güteparameter der röntgenographischen Bestimmung des Ausführungsbeispiels 5. Neben den Gitterparametern a, b, c, α, β, und γ der Elementarzelle und dem zugehörigen Volumen ist weiterhin der gemessene Ausschnitt des reziproken Raumes über die Grenzen der zugehörigen Millerschen Indizes (hkl) angegeben. Weiterhin wird der konventionelle R-Wert aller Reflexe R_all angegeben, der die mittlere prozentuale Abweichung zwischen beobachteten und berechneten Strukturfaktoren angibt. Der gewichtete R-Wert wR_ref enthält einen Gewichtungsfaktor, der die Reflexe nach einem definierten Schema unter anderem abhängig von ihrer Standardabweichung gewichtet. Für ein gutes Strukturmodell sollte R_all unterhalb von 5 % und wR_ref unter 10 % liegen. Als weiteres Qualitätsmerkmal für die Übereinstimmung von berechneter und gemessener Struktur wird der Gütefaktor (goodness of fit, GooF) angegeben, der nahe bei 1 liegen sollte. Tabelle 2

  Summenformel		La4Si3AlN9: Ce3+
  Formelmasse / g mol-1		792,92
  Z		6
  Kristallsystem		Monoklin
  Raumgruppe		P21/n
  Gitterparameter
  a /pm	673,37 (2)	α /°	90
  b /pm	557,18 (2)	β /°	104,5600(10)
  c /pm	1288,30(4)	γ /°	90
  Volumen V /nm3		0,46783 (3)
  Kristallographische Dichte ρ / g cm-3		5,629
  T /K		296 (2)
  Diffraktometer		Bruker D8 Quest
  Strahlung		Cu Kα (154,178 nm)
  Messbereich		6,8286° ≤ θ ≤ 74,5541°
  Gemessene / unabhängige Reflexe		15960/944
  Gemessener reziproker Raum		-7 ≤ h ≤ 8;
  		-6 ≤ k ≤ 6;
  		-16 ≤ l ≤ 16
  Rall/wRref		2,33% / 5,78%
  GooF		1,108

• Die weiterhin ermittelten kristallographischen Lageparameter des Ausführungsbeispiels 5 sind in Tabelle 3 zusammengestellt. Die Wyckoff-Lage beschreibt die Symmetrie der Punktlagen nach R.W.G. Wyckoff. x, y und z geben die Atomlagen an. U_ani ist der Radius der anisotropen Auslenkungsparameter des jeweiligen Atoms. Tabelle 3

  Name	Atom typ	Wyckoff-Lage	x	y	Z	Beset zung	Uani
  La1	La	4e	0,91539(5)	1,28720(6)	0,29524(3)	1	0,00954(13)
  La2	La	4e	0,73752(6)	1,19694(6)	0,55066(3)	1	0,01380(14)
  Si3	Si	4e	0,7833(2)	0,6765(3)	0,44791(13)	0,5	0,0063(3)
  Al 3	Al	4e	0,7833(2)	0,6765(3)	0,44791(13)	0,5	0,0063(3)
  Si4	Si	4e	0,3758(3)	0,3366(3)	0,32241(13)	1	0,0121(3)
  N5	N	2d	1	0.5	0.5	1	0,0158(16)
  N6	N	4e	0,6267(8)	0,4768(9)	0,3583(4)	1	0,0138(11)
  N7	N	4e	0,6771(8)	0,7584(10)	0,5510(4)	1	0,0132(11)
  N8	N	4e	0,8446(8)	0,9216(9)	0,3819(4)	1	0,0125(10)
  N9	N	4e	0,3127(8)	0,0758(10)	0,2357(4)	1	0,0167(11)

• Anhand der kristallographischen Lageparameter der Tabelle 3 können die ersten und zweiten Tetraeder unterschieden werden. Während Si4 den ersten Si(N,O)₄-Tetraedern zugeordnet werden kann, gehören Si3 und Al3 zu den zweiten Si(N,O)₄-Tetraedern bzw. Al(N,O)₄-Tetraedern.
• Die Tabelle 4 fasst die für die Ausführungsbeispiele 1 bis 5 ermittelten spektralen Daten mit Peakwellenlänge, Dominanzwellenlänge und Halbwertsbreite FWHM zusammen. Die spektralen Daten wurden unter kombinierter Anregung mit einer Kombination aus jeweils monochromatischer Strahlung von 405 nm und 440 nm erhalten. Tabelle 4

  Ausführungsbei spiel	Peakwellenlänge	Dominanzwellenlänge	FWHM
  1	492 nm	515 nm	>76 nm
  2	515 nm	553 nm	>122 nm
  3	588 nm	575 nm	148 nm
  4	598 nm	582 nm	116 nm
  5	619 nm	585 nm	≥131 nm

• Die zugehörigen Emissionsspektren der Ausführungsbeispiele 1 bis 5 (gekennzeichnet mit A1 bis A5) sind in 4 gezeigt. Aufgetragen ist die Wellenlänge λ in nm gegen die relative Intensität 1/I_max.
• 5 zeigt das Emissionsspektrum des Vergleichsbeispiels YAG. Bei YAG handelt es sich um Y₃Al₅O₁₂: Ce, einen der langwelligsten heute im Einsatz befindlichen Ce³⁺-aktivierten Leuchtstoffe, mit dem Dominanzwellenlängen von 555 nm bis 574 nm realisiert werden können.
• Beim Vergleich der spektralen Daten und zugehörigen Emissionsspektren der Ausführungsbeispiele und des Vergleichsbeispiels YAG ist deutlich erkennbar, dass der hier beschriebene Leuchtstoff 1 über einen größeren Wellenlängenbereich eine Anpassbarkeit der Emissionsfarbe aufweist als das Vergleichsbeispiel YAG. Damit kann mit dem Leuchtstoff 1 eine effiziente und günstige Lösung für verschiedene Anwendungen realisiert werden, ohne dass für verschiedene gewünschte Wellenlängenbereiche verschiedene Leuchtstoffsysteme herangezogen werden müssen.
• In Tabelle 5 sind die Farbtemperaturen CCT und Farbwiedergabeindices CRI für drei Anwendungsbeispiele im gelborange-roten Spektralbereich aufgeführt. Bei den Anwendungsbeispielen wird jeweils ein Ausführungsbeispiel als einziger Leuchtstoff in dem Konversionselement 20 und ein blau emittierender LED-Chip als Halbleiterchip 10 verwendet. Die Nummerierung der Anwendungsbeispiele entspricht der Nummerierung der jeweils eingesetzten Ausführungsbeispiele. Tabelle 5

  	x	CCT [K]	CRI
  Anwendungsbeispiel 3	1, 67	4005	81
  Anwendungsbeispiel 4	0, 60	3069	84
  Anwendungsbeispiel 5	0, 00	1929	81

• Die CRI-Werte der Anwendungsbeispiele liegen im Bereich von CRI 81 bis 84. Im Vergleich zu Vergleichsbeispiel YAG mit einem CRI von 63 erzielen die Anwendungsbeispiele des hier beschriebenen Leuchtstoffs also deutlich bessere CRI-Werte.
• Die erreichbare Farbtemperatur hängt direkt von der Emissionslage ab. Für das Vergleichsbeispiel YAG liegt die simulierte Farbtemperatur bei 4369 K, was eine der kleinsten Farbtemperaturen, die mit herkömmlichen Ce³⁺-aktivierten Leuchtstoffen erreichbar ist, darstellt. Farbtemperaturen CCT < 4000 K sind mit diesen herkömmlichen Leuchtstoffen üblicherweise nicht erreichbar.
• Die simulierten Farbtemperaturen der Anwendungsbeispiele 1 bis 3 des Leuchtstoffs 1 hingegen erreichen Werte zwischen einschließlich 1929 K und einschließlich 4005 K. Damit erweitert der Leuchtstoff 1 den Bereich, in dem man insbesondere Ce³⁺-aktivierte Leuchtstoffe einsetzen kann, erheblich gegenüber den bislang verfügbaren Lösungen.
• Die Anwendungsbeispiele 3 bis 5 eignen sich somit gut für Anwendungen, bei denen es neben Helligkeit auch auf einen leichten roten Anteil der emittierten Strahlung ankommt, wie beispielsweise bei der Allgemeinbeleuchtung, in Automobilscheinwerfern oder Blinklichtern.
• Die Ausführungsbeispiele 1 und 2 mit Dominanzwellenlängen von 515 nm bzw. 553 nm liegen spektral vorteilhaft für Human Centric Lighting (HCL) Anwendungen. Aufgrund ihrer spektralen Lage weisen sie einen höheren Überlapp mit der melanopischen Kurve auf, als beispielsweise herkömmliches LuAG (Lu₃Al₅O₁₂:Ce). Somit kann der Leuchtstoff 1 bei geeigneter Zusammensetzung vorteilhaft für HCL Anwendungen eingesetzt werden und seine Auswirkung auf beispielsweise die Wachheit des Betrachters ausgenutzt werden.
• Die in den 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

10

Halbleiterchip

11

Strahlungsaustrittsfläche

12

Aktive Zone

20

Konversionselement

30

Gehäuse

40

Verguss

100

Strahlungsemittierendes Bauelement

λ

Wellenlänge

I/Imax

Intensität

A1

Ausführungsbeispiel 1

A2

Ausführungsbeispiel 2

A3

Ausführungsbeispiel 3

A4

Ausführungsbeispiel 4

A5

Ausführungsbeispiel 5

Claims (19)

1. Leuchtstoff (1) mit der allgemeinen Formel A₄L_3-xM_1+xN_9-xOx: RE wobei 0 ≤ x ≤ 3, A ein Element oder eine Kombination von Elementen aus der Gruppe der Seltenerdelemente ist, L ein Element oder eine Kombination von Elementen aus der Gruppe der vierwertigen Elemente ist, M ein Element oder eine Kombination von Elementen aus der Gruppe der dreiwertigen Elemente ist, und RE ein Aktivator-Element ist.
2. Leuchtstoff (1) gemäß Anspruch 1, wobei RE ein Element oder eine Kombination von Elementen aus der Gruppe Ce, Eu, Tb, Sm und Pr ist.
3. Leuchtstoff (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei L Si ist.
4. Leuchtstoff (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei M Al ist.
5. Leuchtstoff (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Leuchtstoff die allgemeine Formel La₄Si_3-xAl_1+xN_9-xO_x:Ce aufweist.
6. Leuchtstoff (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Leuchtstoff in einer monoklinen Raumgruppe kristallisiert.
7. Leuchtstoff (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Leuchtstoff erste L-zentrierte L(N,O)₄-Tetraeder, erste M-zentrierte M(N,O)₄-Tetraeder, zweite L-zentrierte L(N,O)₄-Tetraeder und zweite M-zentrierte M(N,O)₄-Tetraeder aufweist, wobei die ersten L-zentrierten L(N,O)₄-Tetraeder und M-zentrierten M(N,O)₄-Tetraeder allseitig eckenverknüpft vorliegen und die zweiten L-zentrierten L(N,O)₄-Tetraeder und M-zentrierten M(N,O)₄-Tetraeder jeweils ein endständiges N oder O aufweisen.
8. Leuchtstoff (1) gemäß dem vorhergehenden Anspruch, wobei die ersten L-zentrierten L(N,O)₄-Tetraeder und M-zentrierten M(N,O)₄-Tetraeder zu zwei ersten L-zentrierten L(N,O)₄-Tetraedern und/oder M-zentrierten M(N,O)₄-Tetraedern und zu zwei zweiten L-zentrierten L(N,O)₄-Tetraedern und/oder M-zentrierten M(N,O)₄-Tetraedern verknüpft sind, und wobei die zweiten L-zentrierten L(N,O)₄-Tetraeder und M-zentrierten M(N,O)₄-Tetraeder zu zwei ersten L-zentrierten L(N,O)₄-Tetraedern und/oder M-zentrierten M(N,O)₄-Tetraedern und zu einem zweiten L-zentrierten L(N,O)₄-Tetraeder oder M-zentrierten M(N,O)₄-Tetraeder verknüpft sind.
9. Leuchtstoff (1) gemäß einem der Ansprüche 7 oder 8, wobei die ersten L-zentrierten L(N,O)₄-Tetraeder, ersten M-zentrierten M(N,O)₄-Tetraeder, zweiten L-zentrierten L(N,O)₄-Tetraeder und zweiten M-zentrierten M(N,O)₄-Tetraeder Viererringe bilden.
10. Leuchtstoff (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Leuchtstoff einen Absorptionsbereich zumindest im UV bis blauen Wellenlängenbereich des elektromagnetischen Spektrums aufweist.
11. Leuchtstoff (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Leuchtstoff im blau-grünen bis roten Wellenlängenbereich des elektromagnetischen Spektrums emittiert.
12. Leuchtstoff (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine von dem Leuchtstoff emittierte elektromagnetische Strahlung eine Dominanzwellenlänge zwischen einschließlich 500 nm und einschließlich 600 nm aufweist.
13. Leuchtstoff (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine von dem Leuchtstoff emittierte elektromagnetische Strahlung ein Emissionsmaximum zumindest eines Emissionspeaks zwischen einschließlich 480 nm und einschließlich 630 nm aufweist.
14. Leuchtstoff (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine von dem Leuchtstoff emittierte elektromagnetische Strahlung eine spektrale Halbwertsbreite zwischen einschließlich 70 nm und einschließlich 160 nm aufweist.
15. Verfahren zur Herstellung eines Leuchtstoffs (1) mit der allgemeinen Formel A₄L_3-xM_1+xN_9-xO_x: RE wobei 0 ≤ x ≤ 3, A ein Element oder eine Kombination von Elementen aus der Gruppe der Seltenerdelemente ist, L ein Element oder eine Kombination von Elementen aus der Gruppe der vierwertigen Elemente ist, M ein Element oder eine Kombination von Elementen aus der Gruppe der dreiwertigen Elemente ist, und RE ein Aktivator-Element ist, umfassend die Schritte - Bereitstellen von Edukten, - Vermengen der Edukte zu einem Eduktgemenge, und - Erhitzen des Eduktgemenges.
16. Verfahren gemäß dem vorhergehenden Anspruch, wobei das Eduktgemenge auf eine Temperatur aus dem Bereich zwischen einschließlich 1500°C bis einschließlich 1900°C erhitzt wird und/oder wobei das Eduktgemenge für einen Zeitraum von einschließlich 10 Stunden bis einschließlich 14 Stunden erhitzt wird.
17. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 15 und 16, wobei das Eduktgemenge unter Formiergasatmosphäre oder N₂-Atmosphäre erhitzt wird, und/oder wobei das Eduktgemenge unter einem Druck aus von bis zu 12 bar erhitzt wird.
18. Strahlungsemittierendes Bauelement (100) mit - einem Halbleiterchip (10), der im Betrieb elektromagnetische Strahlung eines ersten Wellenlängenbereichs emittiert, und - einem Konversionselement (20), das einen Leuchtstoff (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14 aufweist, der elektromagnetische Strahlung des ersten Wellenlängenbereichs in elektromagnetische Strahlung eines zweiten Wellenlängenbereichs umwandelt, der von dem ersten Wellenlängenbereich zumindest teilweise verschieden ist.
19. Strahlungsemittierendes Bauelement (100) gemäß dem vorhergehenden Anspruch, wobei das Konversionselement (20) frei von einem weiteren Leuchtstoff ist.

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