WO2021043677A1 - Leuchtstoff, verfahren zur herstellung eines leuchtstoffs, optoelektronisches bauelement und pflanzenbeleuchtung - Google Patents

Leuchtstoff, verfahren zur herstellung eines leuchtstoffs, optoelektronisches bauelement und pflanzenbeleuchtung Download PDF

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WO2021043677A1
WO2021043677A1 PCT/EP2020/074063 EP2020074063W WO2021043677A1 WO 2021043677 A1 WO2021043677 A1 WO 2021043677A1 EP 2020074063 W EP2020074063 W EP 2020074063W WO 2021043677 A1 WO2021043677 A1 WO 2021043677A1
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WO
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phosphor
nanometers
inclusive
electromagnetic radiation
wavelength
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PCT/EP2020/074063
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Dominik BAUMANN
Simon PESCHKE
Original Assignee
Osram Opto Semiconductors Gmbh
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
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    • H01L33/48—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor body packages
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    • H01L33/501—Wavelength conversion elements characterised by the materials, e.g. binder
    • H01L33/502—Wavelength conversion materials
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    • C09K—MATERIALS FOR MISCELLANEOUS APPLICATIONS, NOT PROVIDED FOR ELSEWHERE
    • C09K11/00—Luminescent, e.g. electroluminescent, chemiluminescent materials
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    • C09K11/0883—Arsenides; Nitrides; Phosphides
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C09K11/08—Luminescent, e.g. electroluminescent, chemiluminescent materials containing inorganic luminescent materials
    • C09K11/77—Luminescent, e.g. electroluminescent, chemiluminescent materials containing inorganic luminescent materials containing rare earth metals
    • C09K11/7728—Luminescent, e.g. electroluminescent, chemiluminescent materials containing inorganic luminescent materials containing rare earth metals containing europium
    • C09K11/77347—Silicon Nitrides or Silicon Oxynitrides

Definitions

  • a phosphor and a method for producing a phosphor are specified.
  • an optoelectronic component and plant lighting are specified.
  • One problem to be solved consists in specifying a phosphor with increased efficiency.
  • a method for producing such a phosphor is to be specified.
  • an optoelectronic component with increased efficiency is to be specified.
  • this phosphor is to be used in plant lighting.
  • the phosphor has the general formula b-Ca 2 -x EA x S 5 -y Al y N 8-z O z : RE, where:
  • EA is selected from the group of divalent elements.
  • valence in relation to a specific element means how many other elements with opposite charge are required in a chemical compound in order to achieve a charge balance. This can be one element, several elements or several atoms of an element.
  • Elements with a valence of two are also known as divalent elements and are often elements that are doubly positively charged in a chemical compound. This means that two further elements or two atoms of an element which are singly negatively charged in the chemical compound or a further element which is doubly negatively charged in the chemical compound can bind to the divalent element. This leads to a charge equalization.
  • divalent elements are preferably selected from the group formed by alkaline earth elements and zinc.
  • RE is an activator element.
  • the phosphors are described using empirical formulas. With the empirical formulas given, it is possible for the phosphor to have further elements, for example in the form of impurities, these impurities taken together at most 1 per thousand, preferably at most 100 ppm (parts per million), in particular preferably have at most 10 ppm. According to the empirical formula described here, the phosphor has only nitrogen and / or oxygen as an anion. However, it cannot be ruled out that other, including anionic, elements are present in the form of impurities.
  • the phosphor preferably comprises a crystalline, for example ceramic, host lattice into which foreign elements are introduced as activator elements.
  • the phosphor is, for example, a ceramic material.
  • the activator element changes the electronic structure of the host lattice in that electromagnetic radiation with an excitation spectrum is absorbed by the luminescent material and stimulates an electronic transition in the luminescent material, which returns to the ground state by emitting electromagnetic radiation with an emission spectrum.
  • the activator element, which is introduced into the host lattice, is responsible for the wavelength-converting properties of the phosphor.
  • wavelength converting means here that radiated electromagnetic radiation of a certain wavelength range, in this case with an excitation spectrum, is converted into electromagnetic radiation of another, preferably longer-wave wavelength range, in this case the emission spectrum irradiated wavelength range, converts it through electronic processes at the atomic and / or molecular level into electromagnetic radiation of a different wavelength range and sends the converted electromagnetic radiation off again.
  • pure scattering or pure absorption is not understood here to be wavelength-converting.
  • the phosphor is in particle form with grain sizes between 1 micrometer and 50 micrometers inclusive.
  • the grain size is preferably between 1 micrometer and 30 micrometers inclusive.
  • the crystalline host lattice is preferably built up from a three-dimensional unit cell that is usually periodically repeated.
  • the unit cell is the smallest recurring unit of the crystalline host lattice.
  • the elements Ca, EA, Si, Al, N and O each occupy fixed positions, so-called point positions, of the three-dimensional unit cell of the host lattice.
  • the activator element RE and the elements Ca and EA preferably occupy equivalent point positions. This means that either Ca or EA or RE are located on said point position of a unit cell.
  • x denotes the molecular fraction of EA based on Ca and is preferably between 0 and 0.5 inclusive.
  • y denotes the molecular fraction of Al based on Si and is preferably between 0 and 5 inclusive
  • z denotes the molecular fraction of oxygen based on N and is preferably between 0 and 5 inclusive.
  • the molecular fraction of EA based on Ca is between 0 and inclusive
  • the molecular fraction of Al based on Si is between 0 and 1 inclusive.
  • the phosphor has the general formula b-Ca 2 -x EA x S 5 -y Al y N 8 -z O z : RE, where z is equal to y.
  • the phosphor has, for example, the general formula b-Ca 2-x EA x Si 5-y Al y N 8-y O y : RE, where:
  • EA is selected from the group formed by the following elements and the combinations of the following elements: Mg,
  • the phosphor has the general formula b-Ca 2 Si 5 N 8 : RE.
  • the color of the phosphor is preferably light orange in a ground state.
  • the ground state is a state of the phosphor which exhibits the lowest possible energy and is preferably the most stable state of the phosphor.
  • RE preferably occupies a molecular fraction between 0.001 and 0.1 inclusive of the point positions of calcium. In other words, preferably between 0.1% and 10% of the point positions which are provided for calcium in the host lattice b-Ca 2 Si 5 N 8 are occupied by RE.
  • the host lattice of the phosphor is preferably a b-polymorph. In addition to a b polymorph, there is also an a polymorph.
  • the host lattice of the a-polymorph usually crystallizes in the monoclinic space group C1c1, while the host lattice of the b-polymorph usually crystallizes in the space group P12 1 1.
  • the host lattice of the phosphor to a structure having the monoclinic space group P12 1 mono. 1
  • a phosphor exists with the host lattice of the a-polymorph of such having the general formula: a-Ca 2-x EA x S 5 -y Al y N 8-z O: RE is designated .
  • the phosphor with the a-polymorphic host lattice has the general formula a-Ca 2 S 5 N 8 : RE.
  • the a-polymorph with the general formula a-Ca 2 S 5 N 8 : RE crystallizes in the monoclinic space group C1c1.
  • the phosphor with the host lattice of the b-polymorph has clearly different luminescence properties compared to the phosphor with the host lattice of the a-polymorph.
  • the phosphor with the host lattice of the b polymorph has a shifted wavelength of an emission maximum compared to the phosphor with the host lattice of the a polymorph.
  • RE is selected from the group formed by the following elements: the rare earth elements, Mn, Cr and Ni.
  • RE is selected from the group formed by the following elements: Eu, Ce, Yb. RE Eu is preferred.
  • the three lattice parameters a, b and c are the lengths of the lattice vectors that span the unit cell.
  • the other three lattice parameters a, b and g are the angles between these lattice vectors, a is the angle between b and c, b is the angle between a and c and g is the angle between a and b.
  • the lattice parameter a is in particular in the range from 5.40 ⁇ up to and including 5.90 ⁇ .
  • the lattice parameter b is in particular in the range from 9.00 ⁇ up to and including 9.60 ⁇ .
  • the lattice parameter c is in particular in the range from 6.40 ⁇ up to and including 6.90 ⁇ .
  • the angles a and g are preferably approximately 90 ° and the angle b is preferably in a range between 88.0 ° and 94.0 ° inclusive.
  • the host lattice of the phosphor has a structure which comprises (Si, Al) (N, O) 4 tetrahedra.
  • the (Si, Al) (N, O) 4 tetrahedra usually have a tetrahedral gap.
  • the tetrahedron gap is an area inside the respective tetrahedron.
  • the term “tetrahedron gap” denotes the area inside the tetrahedron that remains free when spheres touching one another are placed in the corners of the tetrahedron.
  • the nitrogen atoms and the oxygen atoms of the (Si, Al) (N, O) 4 tetrahedron preferably span the tetrahedron, the Si or Al atom being located in the tetrahedral gap of the tetrahedron spanned by the oxygen atoms and / or the nitrogen atoms .
  • all atoms that span the tetrahedron preferably form a similar distance to the Si or Al atom which is located in the tetrahedron gap.
  • At least two (Si, Al) (N, O) 4 tetrahedra are linked to one another via a nitrogen corner and / or via an oxygen corner.
  • the two (Si, Al) (N, O) 4 tetrahedra are linked at the corners.
  • corner-linked means that two tetrahedra are connected to one another via a common corner.
  • the nitrogen atom and / or the oxygen atom is preferably a common nitrogen atom and / or a common oxygen atom of the (Si, Al) (N, O) 4 tetrahedron.
  • the nitrogen atom or the oxygen atom that links the (Si, Al) (N, O) 4 tetrahedra to one another is preferably both part of the (Si, Al) (N, O) 4 tetrahedron and part of another (Si, Al) (N, O) 4 tetrahedron.
  • the corner-linked (Si, Al) (N, O) 4 tetrahedra form a strand.
  • the host lattice of the phosphor preferably comprises several strands of (Si, Al) (N, O) 4 tetrahedra, which are linked to one another to form a three-dimensional network.
  • the (Si, Al) (N, O) 4 tetrahedra form channels in which there is at least one Ca atom and / or one EA atom and / or one RE atom.
  • the channels are preferably designed as cavities in the strands of corner-linked (Si, Al) (N, O) 4 tetrahedra.
  • the host lattice of the phosphor has a structure which comprises SiN 4 tetrahedra.
  • the nitrogen atoms of the SiN 4 tetrahedron preferably span the tetrahedron and the Si atom is located in the tetrahedral gap of the tetrahedron spanned by the nitrogen atoms.
  • the nitrogen atom is preferably a common nitrogen atom of the SiN 4 tetrahedron.
  • the nitrogen atom which links the SiN 4 tetrahedra to one another is preferably both part of the SiN 4 tetrahedron and part of a further SiN 4 tetrahedron.
  • the corner-linked SiN 4 tetrahedra form a strand.
  • the host lattice of the phosphor preferably comprises several strands of SiN 4 tetrahedra, which are linked to one another to form a three-dimensional network.
  • the SiN 4 tetrahedra form channels in which there is at least one Ca atom and / or one RE atom.
  • the channels are preferably designed as cavities in the strands of corner-linked SiN 4 tetrahedra.
  • the phosphor absorbs electromagnetic radiation in the near ultraviolet to blue spectral range.
  • the phosphor preferably absorbs electromagnetic radiation with an excitation spectrum in the range from 355 nanometers inclusive to 550 nanometers inclusive.
  • the phosphor particularly preferably absorbs electromagnetic radiation with an excitation spectrum in the range from 400 nanometers inclusive to 480 nanometers inclusive.
  • the phosphor has an emission spectrum with an emission maximum at a wavelength between 620 nanometers and 660 nanometers inclusive.
  • a maximum of the excitation spectrum is around 460 nanometers.
  • the emission maximum of the phosphor is preferably at a wavelength of approximately 641 nanometers.
  • the emission spectrum is usually a diagram in which a spectral intensity or a spectral luminous flux per wavelength interval (“spectral intensity / spectral luminous flux”) produced by the phosphor or electromagnetic radiation emitted by another radiation-emitting element is shown as a function of the wavelength l.
  • the emission spectrum represents a curve in which the wavelength is plotted on the x-axis and the spectral intensity or the spectral luminous flux is plotted on the y-axis.
  • the emission maximum of the emission spectrum corresponds to the maximum intensity of the emission spectrum. In the present case, the emission maximum is determined on the basis of the emission spectrum.
  • the phosphor has a dominant wavelength between 570 nanometers and 620 nanometers inclusive.
  • the excitation spectrum is preferably in the near ultraviolet to blue spectral range, for example with a maximum at a wavelength of approximately 460 nanometers.
  • the dominant wavelength of the phosphor is preferably about 607 nanometers.
  • a straight line is drawn in a CIE standard diagram starting from the white point through the color location of the electromagnetic radiation.
  • the intersection of the straight line with the spectral color line delimiting the CIE standard diagram denotes the dominant wavelength of the electromagnetic radiation.
  • the dominant wavelength deviates from the wavelength of the emission maximum of the emission spectrum.
  • the emission spectrum of the phosphor has an FWHM width between 100 nanometers and 120 nanometers inclusive on.
  • the excitation spectrum is in the near ultraviolet to blue spectral range, for example with a maximum at a wavelength of approximately 460 nanometers.
  • the FWHM width is preferably about 109 nanometers.
  • FWHM width refers to a curve with a maximum, such as an emission spectrum, the FWHM width being the area on the x-axis that corresponds to the two y-values corresponding to half of the maximum.
  • the emission spectrum of the phosphor has in one
  • Wavelength range between 720 nanometers and 740 nanometers inclusive has an intensity which is between 15% and 50% inclusive of the emission maximum.
  • the intensity of the emission spectrum is preferably between 20% and 40% inclusive of the emission maximum.
  • the phosphor can be produced by the method described below. Features and embodiments that are only implemented in connection with the phosphor can also be implemented in the method and vice versa.
  • the starting materials Ba 2-x EA x Si 5-y Al y N 8-z O z : RE and CaCl 2 provided.
  • the starting materials are then heated to a temperature between 700 ° C and 1100 ° C inclusive.
  • the starting materials are homogenized in a first step of the method.
  • the resulting mixture of the starting materials is placed in a crucible, preferably a nickel crucible.
  • the mixture of the starting materials is heated, for example, to a temperature of about 850 ° C. for about 3 hours under a nitrogen atmosphere or under a forming gas atmosphere in order to ensure reducing conditions.
  • the forming gas atmosphere has, for example, a mixture of nitrogen or argon with up to 10% hydrogen or is formed from such a mixture.
  • Ba 2 S 5 N 8 : RE is provided as educt in the method.
  • the phosphor is particularly suitable and intended for use in an optoelectronic component.
  • Features and embodiments that are implemented only in connection with the phosphor and / or the method can also be formed in the optoelectronic component and in each case vice versa.
  • the optoelectronic component comprises a semiconductor chip which, during operation, emits electromagnetic radiation of a first wavelength range from a radiation exit area.
  • the optoelectronic component has a phosphor described here.
  • the first wavelength range is particularly preferably wholly or partially that Excitation spectrum of the phosphor.
  • the phosphor converts electromagnetic radiation of the first wavelength range completely or partially into electromagnetic radiation of a second wavelength range.
  • the electromagnetic radiation of the second wavelength range forms the emission spectrum of the phosphor.
  • the semiconductor chip is, for example, a light-emitting diode chip or a laser diode chip.
  • the semiconductor chip preferably has an epitaxially grown semiconductor layer sequence with an active zone which is set up to generate electromagnetic radiation.
  • the active zone has, for example, a pn junction, a double heterostructure, a single quantum well or, particularly preferably, a multiple quantum well structure.
  • the semiconductor chip preferably emits electromagnetic radiation from the ultraviolet spectral range and / or from the visible spectral range, particularly preferably from the blue spectral range.
  • the wavelength range is preferably different from the first wavelength range.
  • the phosphor gives the optoelectronic component wavelength-converting properties.
  • the optoelectronic component has a conversion element which has a phosphor described here.
  • the conversion element has a matrix material in which the phosphor is embedded in the form of particles.
  • the matrix material is preferably from the group of polysiloxanes, epoxides, glasses and hybrid materials selected.
  • a further luminescent substance is introduced into the matrix material.
  • the further phosphor is, for example, a garnet phosphor or a nitride phosphor.
  • the conversion element consists of the phosphor described here.
  • the phosphor is designed as a ceramic.
  • the conversion element only partially converts the electromagnetic radiation of the semiconductor chip into electromagnetic radiation of the second wavelength range, while a further part of the electromagnetic radiation of the semiconductor chip is transmitted by the conversion element.
  • the optoelectronic component preferably emits mixed light which is composed of electromagnetic radiation of the first wavelength range and electromagnetic radiation of the second wavelength range.
  • the optoelectronic component emits white light.
  • the optoelectronic component is particularly suitable and intended for use in plant lighting.
  • Features and embodiments that are only implemented in connection with the optoelectronic component and / or the fluorescent substance and / or the method can also be implemented in the case of plant lighting and vice versa.
  • plant lighting has an optoelectronic component described here.
  • the optoelectronic component preferably emits electromagnetic radiation in the blue Wavelength range and electromagnetic radiation in the red wavelength range.
  • the semiconductor chip preferably emits the electromagnetic radiation in the blue wavelength range.
  • the phosphor converts part of the electromagnetic radiation of the blue wavelength range into electromagnetic radiation of the red wavelength range, while a further part of the electromagnetic radiation emitted by the semiconductor chip is emitted unconverted by the optoelectronic component.
  • the phosphor preferably emits electromagnetic radiation in the red wavelength range from 550 nanometers up to and including 800 nanometers.
  • the wavelength ranges of an absorption spectrum of chlorophyll A and chlorophyll B of plants that are relevant for photosynthesis in plants are between approximately 380 nanometers and approximately 490 nanometers and between 630 nanometers and 740 nanometers. Chlorophyll A absorbs electromagnetic radiation in the
  • Wavelength range from about 380 nanometers to about 450 nanometers and about 630 nanometers to about 680 nanometers. Chlorophyll B absorbs electromagnetic radiation in the wavelength range from about 380 nanometers to about 480 nanometers and about 620 nanometers to about 650 nanometers.
  • the wavelength range of the absorption spectrum at 730 nanometers is particularly important for the formation of flowers and fruits in plants.
  • One idea of the present optoelectronic component is to generate an intensity in the wavelength range in
  • the luminescent substance thus generally has an intensity in the wavelength range around 730 nanometers that has a positive effect on the formation of flowers and fruits of plants.
  • the use of the optoelectronic component described here as plant lighting is particularly advantageous, since only a single supply voltage is required. In this case, all the required wavelength ranges are covered by the optoelectronic component.
  • the use of an optoelectronic component described here is therefore comparatively favorable, since only the red phosphor described here and a blue-emitting semiconductor chip are required.
  • the phosphor is particularly well suited for use in plant lighting, since it has high chemical stability, temperature resistance and moisture resistance. Plant lighting with the phosphor is therefore particularly well suited for use in greenhouses. The resistance advantageously leads to slower aging of the optoelectronic component.
  • Figure 1 shows a section of the host lattice of the phosphor in viewing direction a according to an embodiment
  • FIG. 2 shows a powder diffractogram of the phosphor b- Ca 2 Si 5 N 8 : RE according to an exemplary embodiment
  • FIG. 3 shows an emission spectrum of the phosphor b-Ca 2 Si 5 N 8 : RE according to an exemplary embodiment when excited with electromagnetic radiation of an excitation spectrum with a maximum at a wavelength of approximately 460 nanometers,
  • FIG. 4 shows a Kubelka-Munk function of the phosphor b- Ca 2 Si 5 N 8 : RE according to an exemplary embodiment
  • Figure 5 shows two emission spectra of the phosphor b- Ca 2 Si 5 N 8 : RE and a comparative phosphor a-Ca 2 Si 5 N 8 : Eu when excited with electromagnetic radiation of an excitation spectrum with a maximum at a wavelength of about 460 nanometers,
  • FIG. 6 shows a comparison of the ratios of the relative intensities of the emission spectra at 730 nanometers and 660 nanometers of the phosphor b-Ca 2 Si 5 N 8 : RE and the comparative phosphor a-Ca 2 Si 5 N 8 : Eu,
  • FIG. 7 shows a schematic sectional illustration of various process stages of a process for producing a phosphor in accordance with an exemplary embodiment
  • FIG. 8 and FIG. 9 show a schematic sectional illustration of an optoelectronic component in accordance with an exemplary embodiment in each case
  • FIG. 10 shows a schematic sectional illustration of plant lighting according to an exemplary embodiment.
  • FIG. 1 shows a section of the host lattice of the phosphor 1 with the formula b-Ca 2 -x EA x S 5 -y Al y N 8 -z O z : RE, in the present case of the phosphor LI with the formula b-Ca 2 Si 5 N 8 : RE in a schematic representation according to an exemplary embodiment.
  • the host lattice has a structure with a monoclinic space group P12 1 1.
  • the structure of the host lattice shows corner-sharing (Si, Al) (N, O) 4 tetrahedra.
  • the host lattice has (Si, Al) (N, O) 4 tetrahedra with SiN 4 tetrahedra 10.
  • the corner 9 is either a common oxygen atom or a common nitrogen atom 5.
  • the structure of the phosphor L1 was determined on the basis of X-ray structure analysis measurements, the results of which are shown in Table 1 by way of example. In FIG. 1, not all tetrahedra and atoms are provided with a reference symbol for the sake of clarity.
  • the SiN 4 tetrahedron 10 has a tetrahedron gap.
  • the tetrahedron gap is an area inside the respective tetrahedron.
  • the oxygen atoms and the nitrogen atoms 5 of the (Si, Al) (N, O) 4 tetrahedron span a tetrahedron, the silicon atom 8 or aluminum atom being in the tetrahedral gap of the tetrahedron spanned by the oxygen atoms and the nitrogen atoms 5.
  • all atoms that span the tetrahedron are preferably located at a similar distance to the silicon atom 8 or aluminum atom, which is located in the tetrahedron gap.
  • At least one SiN 4 tetrahedron 10 is linked to a further SiN 4 tetrahedron 10 via a nitrogen atom 5.
  • the nitrogen atom 5, which links the SiN 4 tetrahedron 10 to the further SiN 4 tetrahedron 10, is a common nitrogen atom 5 of the SiN 4 tetrahedra 10.
  • the SiN 4 tetrahedra 10 form linked channels via a corner 9 in which there is at least one calcium atom 2 and / or EA atom and / or RE atom 4.
  • the calcium atom 2 and / or EA atom can be replaced by an RE atom 4 as an activator element.
  • the channels are designed as cavities in strands of corner-linked (Si, Al) (N, O) 4 tetrahedra.
  • Each (Si, Al) (N, O) 4 tetrahedron is linked via at least one further (Si, Al) (N, O) 4 tetrahedron of the same or of the neighboring strand. As shown in FIG. 1, this link creates layers of corner-linked (Si, Al) (N, O) 4 tetrahedra.
  • the crystal structure of the phosphor L1 can be described as a distorted Sr 2 Si 5 N 8 structure type.
  • Table 1 below shows the crystallographic data for the phosphor L1 b-Ca 2 Si 5 N 8 : Eu 2+ .
  • the angles a and g are equal to 90 ° and b are not equal to 90 ° and the lattice parameters a, b and c differ.
  • the mixed occupation of europium atoms and calcium atoms 2 was not taken into account in the structure refinement due to the low atomic proportion of europium.
  • Table 1 Crystallographic data of b-Ca 2 Si 5 N 8 : Eu 2+ .
  • Table 2 below shows atomic layer occupancies and isotropic deflection parameters for the phosphor L1 b — Ca 2 Si 5 N 8 : Eu 2+ .
  • Table 2 Atomic layers, occupations and isotropic deflection parameters for the phosphor L1 b-Ca 2 Si 5 N 8 : Eu 2+ .
  • FIG. C 0 shows the measured values of the intensity of the measured X-ray radiation
  • C 1 the calculated values of the intensity of the X-ray radiation
  • C 2 the difference between the measured values and the calculated values.
  • the intensity I is in arbitrary units against the angle 2q in degrees between a radiation source
  • FIG. 3 shows an example of an emission spectrum E1 of a phosphor L1 upon excitation with electromagnetic radiation 21 of an excitation spectrum with a maximum at a wavelength of 460 nanometers.
  • the emission spectrum E1 is the spectral intensity I of the electromagnetic radiation 21 emitted by the phosphor L1 as a function of the wavelength l.
  • the wavelength of the emission maximum of the emission spectrum E1 of the phosphor L1 is between 620 nanometers and 660 inclusive
  • FIG. 4 shows the Kubelka-Munk function E2 standardized to 1 for the phosphor L1. The value of the Kubelka-Munk
  • Function E2 describes the relationship between absorption and scattering at the respective wavelength.
  • a remission spectrum can be approximated into a
  • the Kubelka-Munk value KM can be determined using the following formula:, where R is the
  • the Kubelka-Munk function E2 has a maximum at a wavelength of around 420 nanometers and only reaches a minimum for wavelengths greater than 555 nanometers.
  • the phosphor can efficiently use L1
  • Semiconductor chips which emit electromagnetic radiation 21 of an excitation spectrum with a maximum at a wavelength of 355 nanometers to 550 nanometers, preferably 400 nanometers to 480 nanometers, are excited.
  • FIG. 5 shows, by way of example, two emission spectra E1, E3 of a phosphor L1 and a comparative phosphor VL1 a-Ca 2 Si 5 N 8 : Eu.
  • the emission spectrum E1 of the phosphor L1 is analogous to the emission spectrum in FIG.
  • the host lattice of the phosphor L1 is polymorphic to the host lattice of the comparison phosphor VL1.
  • the phosphors L1 and VL1 are excited by electromagnetic radiation 21 of the excitation spectrum with a maximum at a wavelength of the semiconductor chip 12 of approximately 460 nanometers.
  • the phosphor L1 clearly has a Has shifted wavelength of the emission maximum compared to the comparison phosphor VL1.
  • the wavelength of the emission maximum of the phosphor L1 is 638 nanometers and that of the comparison phosphor VL1 is approximately 610 nanometers.
  • FIG. 5 shows that the emission spectrum E1 of the phosphor L1 has an intensity in a wavelength range between 720 nanometers and 740 nanometers inclusive, which is between 15% and 50% inclusive of the emission maximum.
  • the emission spectrum E3 of the comparison phosphor VL1 in the wavelength range between 720 nanometers and 740 nanometers inclusive has an intensity of less than 15%.
  • FIG. 6 shows the respective ratios of the intensities I1 and VI1 at 730 nanometers and 660 nanometers of the respective emission spectra E1 and E3 of the phosphors L1 and VL1. It can be clearly seen that the phosphor L1 generates a significantly higher proportion of longer-wave radiation than the comparable comparison phosphor VL1. This has the result that the emission spectrum of the phosphor L1 shows a higher proportion of the radiation in the spectral range around 730 nanometers, which is essential for the formation of flowers and buds of the plants 19.
  • the educts Ba 2- x EA x Si 5-y Al y N 8-z O z : RE and CaCl 2 are provided in a first method step S1.
  • the starting materials are mixed homogeneously.
  • the mixture is in a transferred to an open nickel crucible, which is placed in a tube furnace.
  • the glow cake is then washed with water and / or ethanol and dried.
  • the phosphor L1 is produced, for example, by mixing, homogenizing and heating the educt Ba 2 Si 5 N 8 : RE and CaCl 2.
  • Table 3 The corresponding ratio of the individual starting materials to one another is shown in Table 3 as an example.
  • FIG. 8 shows a schematic sectional illustration of an optoelectronic component 11 which has a semiconductor chip 12 which, during operation, emits electromagnetic radiation 21 of a first wavelength range from a
  • the electromagnetic radiation 21 of the first wavelength range has an emission spectrum which is also referred to as the emission spectrum of the semiconductor chip 12.
  • the semiconductor chip 12 comprises an epitaxially grown semiconductor layer sequence with an active zone 16, which is suitable for generating electromagnetic radiation 21.
  • the optoelectronic component 11 comprises a potting 14.
  • the potting 14 has a permeability for electromagnetic radiation 21 of at least the active zone 16, which is at least 85%, preferably 95%.
  • the semiconductor chip 12 is surrounded by the encapsulation 14.
  • the optoelectronic component 11 likewise has a conversion element 13 with a phosphor LI, the electromagnetic radiation 21 of the first
  • the electromagnetic radiation 21 of the second wavelength range has an emission spectrum which is also referred to as the emission spectrum of the phosphor L1.
  • the phosphor L1 is embedded in a matrix material 22 in the form of particles.
  • the matrix material 22 is selected from the group of polysiloxanes.
  • the conversion element 13 can be designed as a conversion layer.
  • the optoelectronic component 11 comprises a semiconductor chip 12, a carrier element 15, an adhesive layer 17 and a conversion element 13.
  • the conversion element 13 is arranged with the aid of the adhesive layer 17 on a radiation exit surface 18 of the semiconductor chip 12.
  • the conversion element 13 can, however, also be applied directly to the radiation exit area 18 of the semiconductor chip 12.
  • the surface of the semiconductor chip 12 opposite the radiation exit surface 18 is arranged on the carrier element 15 for stabilization.
  • the conversion element 13 is as Conversion layer is formed and has a phosphor L1 which is embedded in the matrix material 22 in the form of particles.
  • further phosphors can be embedded in the conversion element 13.
  • the further phosphor is, for example, a garnet phosphor or a nitride phosphor.
  • the plant lighting 20 comprises an optoelectronic component 11, as has already been described, for example, with reference to FIGS. 8 and 9.
  • the optoelectronic component 11 is provided to emit electromagnetic radiation 21 and thus to improve the formation of buds and flowers of a plant 19.
  • the chlorophyll A and the chlorophyll B of the plant 19 have maxima in the absorption spectrum at a wavelength of approximately 380 nanometers up to and including 490 nanometers and 630 nanometers up to and including 740 nanometers.
  • the phosphor 1 emits electromagnetic radiation 21 in the red wavelength range from 550 nanometers to 800 nanometers and the semiconductor chip 12 emits electromagnetic radiation 21 in the blue wavelength range, which is not completely converted by the phosphor 1.
  • the wavelength ranges relevant for the plant 19 are thus covered.
  • VL1 comparison phosphor a-Ca 2 Si 5 N 8 Eu E1 emission spectrum of L1
  • E2 Kubelka-Munk function E3 emission spectrum of VL1 I1 intensity of L1

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Abstract

Es wird ein Leuchtstoff (1) angegeben mit der allgemeinen Formel β-Ca2-xEAxSi5-yAlyN8-zOz:RE, wobei - EA ausgewählt ist aus der Gruppe der zweiwertigen Elemente, - RE ein Aktivator-Element ist, - 0 ≤ x ≤ 0,5, - 0 ≤ y ≤ 5, und - 0 ≤ z ≤ 5. Darüber hinaus werden ein Verfahren zur Herstellung eines Leuchtstoffs (1), ein optoelektronisches Bauelement (11) und eine Pflanzenbeleuchtung (20) angegeben.

Description

Beschreibung
LEUCHTSTOFF, VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG EINES LEUCHTSTOFFS OPTOELEKTRONISCHES BAUELEMENT UND PFLANZENBELEUCHTUNG
Es werden ein Leuchtstoff und ein Verfahren zur Herstellung eines Leuchtstoffs angegeben. Darüber hinaus werden ein optoelektronisches Bauelement und eine Pflanzenbeleuchtung angegeben .
Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, einen Leuchtstoff mit erhöhter Effizienz anzugeben. Zusätzlich soll ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Leuchtstoffs angegeben werden. Weiterhin soll ein optoelektronisches Bauelement mit erhöhter Effizienz angegeben werden. Außerdem soll dieser Leuchtstoff in einer Pflanzenbeleuchtung eingesetzt werden.
Diese Aufgaben werden durch einen Leuchtstoff mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, durch ein Verfahren mit den Schritten des Patentanspruchs 16, durch ein optoelektronisches Bauelement mit den Merkmalen des Patentanspruchs 18 und durch eine Pflanzenbeleuchtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 19 gelöst.
Vorteilhafte Ausführungsformen des Leuchtstoffs, des Verfahrens, des optoelektronischen Bauelements und der Pflanzenbeleuchtung sind Gegenstand der jeweiligen abhängigen Ansprüche .
Gemäß einer Ausführungsform weist der Leuchtstoff die allgemeine Formel b-Ca2 -xEAxS5 -yAlyN8-zOz:RE auf, wobei:
- 0 £ x £ 0,5,
- 0 £ y £ 5, und - 0 £ z £ 5.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Leuchtstoffs ist EA ausgewählt aus der Gruppe der zweiwertigen Elemente.
Mit dem Begriff „Wertigkeit" in Bezug auf ein bestimmtes Element ist vorliegend gemeint, wie viele weitere Elemente mit entgegengesetzter Ladung in einer chemischen Verbindung benötigt werden, um einen Ladungsausgleich zu erzielen. Dies kann ein Element, mehrere Elemente oder mehrere Atome eines Elements sein.
Elemente mit der Wertigkeit zwei werden auch als zweiwertige Elemente bezeichnet und sind häufig Elemente, die in einer chemischen Verbindung zweifach positiv geladen sind. Das heißt, es können zwei weitere Elemente oder zwei Atome eines Elements, welche in der chemischen Verbindung einfach negativ geladen sind, oder ein weiteres Element, welches in der chemischen Verbindung zweifach negativ geladen ist, an das zweiwertige Element binden. Dies führt zu einem Ladungsausgleich. Zweiwertige Elemente sind vorliegend bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe gebildet durch Erdalkalielemente und Zink.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Leuchtstoffs ist RE ein Aktivator-Element.
Hier und im Folgenden werden Leuchtstoffe anhand von Summenformeln beschrieben. Es ist bei den angegebenen Summenformeln möglich, dass der Leuchtstoff weitere Elemente etwa in Form von Verunreinigungen aufweist, wobei diese Verunreinigungen zusammengenommen höchstens 1 Promille, bevorzugt höchstens 100 ppm (parts per million), besonders bevorzugt höchstens 10 ppm aufweisen. Gemäß der hier beschriebenen Summenformel weist der Leuchtstoff lediglich Stickstoff und/oder Sauerstoff als Anion auf. Jedoch ist aber nicht ausgeschlossen, dass weitere, auch anionische Elemente in Form von Verunreinigungen vorhanden sind.
Der Leuchtstoff umfasst bevorzugt ein kristallines, beispielsweise keramisches, Wirtsgitter, in das Fremdelemente als Aktivator-Elemente eingebracht sind. Bei dem Leuchtstoff handelt es sich beispielsweise um ein keramisches Material.
Das Aktivator-Element verändert die elektronische Struktur des Wirtsgitters insofern, dass elektromagnetische Strahlung mit einem Anregungsspektrum von dem Leuchtstoff absorbiert wird und einen elektronischen Übergang in dem Leuchtstoff anregt, der unter Aussenden von elektromagnetischer Strahlung mit einem Emissionsspektrum wieder in den Grundzustand übergeht. Das Aktivator-Element, das in das Wirtsgitter eingebracht ist, ist so für die wellenlängenkonvertierenden Eigenschaften des Leuchtstoffs verantwortlich.
Mit dem Begriff „wellenlängenkonvertierend" ist vorliegend gemeint, dass eingestrahlte elektromagnetische Strahlung eines bestimmten Wellenlängenbereichs, vorliegend mit einem Anregungsspektrum, in elektromagnetische Strahlung eines anderen, bevorzugt längerwelligen Wellenlängenbereichs, vorliegend des Emissionsspektrums, umgewandelt wird. In der Regel absorbiert eine wellenlängenkonvertierende Komponente elektromagnetische Strahlung eines eingestrahlten Wellenlängenbereichs, wandelt diese durch elektronische Vorgänge auf atomarer und/oder molekularer Ebene in elektromagnetische Strahlung eines anderen Wellenlängenbereichs um und sendet die umgewandelte elektromagnetische Strahlung wieder aus. Insbesondere wird reine Streuung oder reine Absorption vorliegend nicht als wellenlängenkonvertierend verstanden.
Beispielsweise liegt der Leuchtstoff in Partikelform mit Korngrößen zwischen einschließlich 1 Mikrometer und einschließlich 50 Mikrometer vor. Bevorzugt liegt die Korngröße zwischen einschließlich 1 Mikrometer und einschließlich 30 Mikrometer.
Das kristalline Wirtsgitter ist bevorzugt 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 Ca, EA,Si, Al, N und O besetzen hierbei jeweils festgelegte Plätze, sogenannte Punktlagen, der dreidimensionalen Elementarzelle des Wirtsgitters. Hierbei besetzen das Aktivator-Element RE und die Elemente Ca und EA bevorzugt äquivalente Punktlagen. Das heißt, dass sich entweder Ca oder EA oder RE auf der besagten Punktlage einer Elementarzelle befinden. x bezeichnet hierbei den molekularen Anteil von EA bezogen auf Ca und liegt bevorzugt zwischen einschließlich 0 und einschließlich 0,5. y bezeichnet hierbei den molekularen Anteil von Al bezogen auf Si und liegt bevorzugt zwischen einschließlich 0 und einschließlich 5. z bezeichnet den molekularen Anteil von Sauerstoff bezogen auf N und liegt bevorzugt zwischen einschließlich 0 und einschließlich 5.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Leuchtstoffs gilt:
0 £ x £ 0,2. Der molekulare Anteil von EA bezogen auf Ca liegt hierbei zwischen einschließlich 0 und einschließlich
0,2.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Leuchtstoffs gilt:
0 £ y £ 1. Der molekulare Anteil von Al bezogen auf Si liegt zwischen einschließlich 0 und einschließlich 1.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Leuchtstoff die allgemeine Formel b-Ca2 -xEAxS5 -yAlyN8-zOz:RE auf, wobei z gleich y ist. Mit anderen Worten weist der Leuchtstoff beispielsweise die allgemeine Formel b-Ca2-xEAxSi5-yAlyN8-yOy:RE auf, wobei:
- 0 £ x £ 0,5, und
- 0 £ y £ 5.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Leuchtstoffs ist EA ausgewählt aus der Gruppe gebildet durch die folgenden Elemente und die Kombinationen der folgenden Elemente: Mg,
Sr, Ba.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform hat der Leuchtstoff die allgemeine Formel b-Ca2Si5N8 :RE. Die Farbe des Leuchtstoffs ist in einem Grundzustand bevorzugt hellorange. Der Grundzustand ist ein Zustand des Leuchtstoffs, der die geringstmögliche Energie aufzeigt und ist bevorzugt der stabilste Zustand des Leuchtstoffs. RE besetzt bevorzugt einen molekularen Anteil zwischen einschließlich 0,001 und einschließlich 0,1 der Punktlagen von Calcium. Mit anderen Worten sind bevorzugt zwischen einschließlich 0,1 % und 10 % der Punktlagen, die im Wirtsgitter b-Ca2Si5N8 für Calcium vorgesehen sind, mit RE besetzt. Das Wirtsgitter des Leuchtstoffs ist bevorzugt ein b- Polymorph. Neben einem b-Polymorph gibt es auch ein a- Polymorph. Das heißt, dass es mehrere verschiedene Wirtsgitter gibt, die die gleiche chemische Zusammensetzung aufzeigen, aber sich in der räumlichen Anordnung der Atome unterscheiden. Dies wird durch die a- und b-Nomenklatur verdeutlicht. Aufgrund der unterschiedlichen räumlichen Anordnungen können sich die Wirtsgitter unter anderem auch in den optischen Eigenschaften unterscheiden. Syntheseparameter wie Druck und/oder Temperatur können die räumliche Anordnung beeinflussen. Das Wirtsgitter des a-Polymorphs kristallisiert in der Regel in der monoklinen Raumgruppe C1c1, während das Wirtsgitter des b-Polymorphs in der Regel in der Raumgruppe P1211 kristallisiert.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Leuchtstoffs weist das Wirtsgitter des Leuchtstoffs eine Struktur mit der monoklinen Raumgruppe P1211 auf.
Neben dem Leuchtstoff mit dem Wirtsgitter des b-Polymorphs existiert ein Leuchtstoff mit dem Wirtsgitter des a- Polymorphs, der mit der allgemeinen Formel a-Ca2 -xEAxS5 -yAlyN8- zOz:RE bezeichnet ist. Beispielsweise weist der Leuchtstoff mit dem a-polymorphen Wirtsgitter die allgemeine Formel a- Ca2S5N8:RE auf. Das a-Polymorph mit der allgemeinen Formel a- Ca2S5N8:RE kristallisiert in der monoklinen Raumgruppe C1c1. Der Leuchtstoff mit dem Wirtsgitter des b-Polymorphs weist im Vergleich zu dem Leuchtstoff mit dem Wirtsgitter des a- Polymorphs deutlich unterschiedliche Lumineszenzeigenschaften auf. Der Leuchtstoff mit dem Wirtsgitter des b-Polymorphs weist eine verschobene Wellenlänge eines Emissionsmaximums im Vergleich zu dem Leuchtstoff mit dem Wirtsgitter des a- Polymorphs auf. Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Leuchtstoffs ist RE ausgewählt aus der Gruppe gebildet durch die folgenden Elemente: die Elemente der seltenen Erden, Mn, Cr und Ni.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Leuchtstoffs ist RE ausgewählt aus der Gruppe gebildet durch die folgenden Elemente: Eu, Ce, Yb. Bevorzugt ist RE Eu.
Zur Beschreibung der dreidimensionalen Elementarzelle des kristallinen Wirtsgitters werden sechs Gitterparameter benötigt, drei Längen a, b und c und drei Winkel a, b, g. Die drei Gitterparameter a, b und c sind die Längen der Gittervektoren, die die Elementarzelle aufspannen. Die weiteren drei Gitterparameter a, b und g sind die Winkel zwischen diesen Gittervektoren, a ist der Winkel zwischen b und c, b ist der Winkel zwischen a und c und g ist der Winkel zwischen a und b.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Leuchtstoffs liegt der Gitterparameter a insbesondere im Bereich von einschließlich 5,40 Å bis einschließlich 5,90 Å. Der Gitterparameter b liegt insbesondere im Bereich von einschließlich 9,00 Å bis einschließlich 9,60 Å. Der Gitterparameter c liegt insbesondere im Bereich von einschließlich 6,40 Å bis einschließlich 6,90 Å. Die Winkel a und g betragen bevorzugt ungefähr 90° und der Winkel b liegt bevorzugt in einem Bereich zwischen einschließlich 88,0° und einschließlich 94,0°.
Die Gitterparameter des Leuchtstoffs b-Ca2Si5N8 :Eu liegen in der monoklinen Raumgruppe P1211 bevorzugt bei a gleich 5,673(1) Å, bei b gleich 9,293(1) Å, bei c gleich 6,684(1) Å und die Winkel a und g bei gleich 90° und der Winkel b gleich 91,09(1)°.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Wirtsgitter des Leuchtstoffs eine Struktur auf, die (Si,Al)(N,O)4- Tetraeder umfasst. Die (Si,Al)(N,O)4-Tetraeder weisen in der Regel eine Tetraederlücke auf. Die Tetraederlücke ist ein Bereich im Inneren des jeweiligen Tetraeders. Beispielsweise wird mit dem Begriff „Tetraederlücke" der Bereich im Inneren des Tetraeders bezeichnet, der frei bleibt, wenn in die Ecken des Tetraeders sich berührende Kugeln gesetzt werden.
Bevorzugt spannen die Stickstoffatome und die Sauerstoffatome des (Si,Al)(N,O)4-Tetraeders das Tetraeder auf, wobei sich in der Tetraederlücke des durch die Sauerstoffatome und/oder die Stickstoffatome aufgespannten Tetraeders das Si- oder das Al- Atom befindet. Hierbei bilden bevorzugt alle Atome, welche das Tetraeder aufspannen, einen ähnlichen Abstand zu dem Si- oder Al-Atom, welches sich in der Tetraederlücke befindet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind bei dem Leuchtstoff zumindest zwei (Si,Al)(N,O)4-Tetraeder über eine Stickstoffecke und/oder über eine Sauerstoffecke miteinander verknüpft. Hierbei sind die beiden (Si,Al)(N,O)4-Tetraeder eckenverknüpft. Eckenverknüpft heißt hier und im Folgenden, dass zwei Tetraeder über eine gemeinsame Ecke miteinander verbunden sind. Bevorzugt ist das Stickstoffatom und/oder das Sauerstoffatom ein gemeinsames Stickstoffatom und/oder ein gemeinsames Sauerstoffatom des (Si,Al)(N,O)4-Tetraeders. Mit anderen Worten ist das Stickstoffatom beziehungsweise das Sauerstoffatom, das die (Si,Al)(N,O)4-Tetraeder miteinander verknüpft, bevorzugt sowohl Teil des (Si,Al)(N,O)4-Tetraeders als auch Teil eines weiteren (Si,Al)(N,O)4-Tetraeders. Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Leuchtstoffs bilden die eckenverknüpften (Si,Al)(N,O)4-Tetraeder einen Strang aus. Bevorzugt umfasst das Wirtsgitter des Leuchtstoffs mehrere Stränge von (Si,Al)(N,O)4-Tetraeder, die untereinander zu einem dreidimensional ausgedehnten Netzwerk verknüpft sind.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Leuchtstoffs bilden die (Si,Al)(N,O)4-Tetraeder Kanäle aus, in denen sich zumindest ein Ca-Atom und/oder ein EA-Atom und/oder ein RE- Atom befindet. Die Kanäle sind bevorzugt als Hohlräume in den Strängen von eckenverknüpften (Si,Al)(N,O)4-Tetraedern ausgebildet .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Wirtsgitter des Leuchtstoffs eine Struktur auf, die SiN4-Tetraeder umfasst. Bevorzugt spannen die Stickstoffatome des SiN4- Tetraeders das Tetraeder auf und das Si-Atom befindet sich in der Tetraederlücke des durch die Stickstoffatome aufgespannten Tetraeders.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind bei dem Leuchtstoff zumindest zwei SiN4-Tetraeder über eine Stickstoffecke miteinander verknüpft. Bevorzugt ist das Stickstoffatom ein gemeinsames Stickstoffatom des SiN4- Tetraeders . Mit anderen Worten ist das Stickstoffatom, das die SiN4-Tetraeder miteinander verknüpft, bevorzugt sowohl Teil des SiN4-Tetraeders als auch Teil eines weiteren SiN4- Tetraeders .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Leuchtstoffs bilden die eckenverknüpften SiN4Tetraeder einen Strang aus. Bevorzugt umfasst das Wirtsgitter des Leuchtstoffs mehrere Stränge von SiN4-Tetraeder, die untereinander zu einem dreidimensional ausgedehnten Netzwerk verknüpft sind.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Leuchtstoffs bilden die SiN4-Tetraeder Kanäle aus, in denen sich zumindest ein Ca-Atom und/oder ein RE-Atom befindet. Die Kanäle sind bevorzugt als Hohlräume in den Strängen von eckenverknüpften SiN4-Tetraedern ausgebildet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform absorbiert der Leuchtstoff elektromagnetische Strahlung im nahen ultravioletten bis blauen Spektralbereich. Bevorzugt absorbiert der Leuchtstoff elektromagnetische Strahlung mit einem Anregungsspektrum im Bereich von einschließlich 355 Nanometer bis einschließlich 550 Nanometer. Besonders bevorzugt absorbiert der Leuchtstoff elektromagnetische Strahlung mit einem Anregungsspektrum im Bereich von einschließlich 400 Nanometer bis einschließlich 480 Nanometer .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Leuchtstoff ein Emissionsspektrum mit einem Emissionsmaximum bei einer Wellenlänge zwischen einschließlich 620 Nanometer und einschließlich 660 Nanometer auf. Ein Maximum des Anregungsspektrums liegt hierbei bei etwa 460 Nanometer. Das Emissionsmaximum des Leuchtstoffs liegt bevorzugt bei einer Wellenlänge von etwa 641 Nanometer.
Bei dem Emissionsspektrum handelt es sich in der Regel um ein Diagramm, bei dem eine spektrale Intensität oder ein spektraler Lichtstrom pro Wellenlängenintervall („spektrale Intensität/spektraler Lichtstrom"), der von dem Leuchtstoff oder einem anderen strahlungsemittierenden Element ausgesandten elektromagnetischen Strahlung in Abhängigkeit der Wellenlänge l dargestellt ist. Mit anderen Worten stellt das Emissionsspektrum eine Kurve dar, bei der auf der x-Achse die Wellenlänge und auf der y-Achse die spektrale Intensität oder der spektrale Lichtstrom aufgetragen ist. Das Emissionsmaximum des Emissionsspektrums entspricht der maximalen Intensität des Emissionsspektrums. Das Emissionsmaximum wird vorliegend anhand des Emissionsspektrums ermittelt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Leuchtstoff eine Dominanzwellenlänge zwischen einschließlich 570 Nanometer und einschließlich 620 Nanometer auf. Das Anregungsspektrum ist hierbei bevorzugt im nahen ultravioletten bis blauen Spektralbereich, beispielsweise mit einem Maximum bei einer Wellenlänge von etwa 460 Nanometer. Bevorzugt liegt die Dominanzwellenlänge des Leuchtstoffs bei etwa 607 Nanometer.
Zur Bestimmung der Dominanzwellenlänge von elektromagnetischer Strahlung wird in einem 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 des Emissionsspektrums ab.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Emissionsspektrum des Leuchtstoffs eine FWHM-Breite zwischen einschließlich 100 Nanometer und einschließlich 120 Nanometer auf. Das Anregungsspektrum ist hierbei im nahen ultravioletten bis blauen Spektralbereich, beispielsweise mit einem Maximum bei einer Wellenlänge von etwa 460 Nanometer. Bevorzugt liegt die FWHM-Breite bei etwa 109 Nanometer.
Der Begriff FWHM-Breite („Full Width Half Maximum-Breite") bezieht sich auf eine Kurve mit einem Maximum, wie etwa ein Emissionsspektrum, wobei die FWHM-Breite derjenige Bereich auf der x-Achse ist, der zu den beiden y-Werten korrespondiert, die der Hälfte des Maximums entsprechen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Emissionsspektrum des Leuchtstoffs in einem
Wellenlängenbereich zwischen einschließlich 720 Nanometer und einschließlich 740 Nanometer eine Intensität auf, die zwischen einschließlich 15 % und einschließlich 50 % des Emissionsmaximums liegt. Bevorzugt liegt die Intensität des Emissionsspektrums zwischen einschließlich 20 % und einschließlich 40 % des Emissionsmaximums.
Der Leuchtstoff kann mit dem im Folgenden beschriebenen Verfahren hergestellt werden. Merkmale und Ausführungsformen, die lediglich in Verbindung mit dem Leuchtstoff ausgeführt sind, können auch bei dem Verfahren ausgebildet sein und umgekehrt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens zur Herstellung eines Leuchtstoffs mit der allgemeinen Formel b- Ca2-xEAxSi5-yAlyN8-zOz:RE werden die Edukte Ba2-xEAxSi5-yAlyN8-zOz:RE und CaCl2 bereitgestellt. Anschließend werden die Edukte auf eine Temperatur zwischen einschließlich 700 °C und einschließlich 1100 °C erhitzt. Gemäß zumindest einer Ausführungsform werden in einem ersten Schritt des Verfahrens die Edukte homogenisiert.
Gemäß einer Ausführungsform wird das entstandene Gemenge aus den Edukten in einen Tiegel, bevorzugt in einen Nickeltiegel, gegeben. Das Gemenge aus den Edukten wird beispielsweise auf eine Temperatur von etwa 850 °C für etwa 3 Stunden unter Stickstoffatmosphäre oder unter einer Formiergasatmosphäre erhitzt, um so reduzierende Bedingungen zu gewährleisten. Die Formiergasatmosphäre weist beispielsweise ein Gemisch aus Stickstoff oder Argon mit bis zu 10 % Wasserstoff auf oder ist aus einem solchen Gemisch gebildet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird bei dem Verfahren als Edukt Ba2S5N8:RE bereitgestellt.
Der Leuchtstoff ist insbesondere zur Verwendung in einem optoelektronischen Bauelement geeignet und vorgesehen. Merkmale und Ausführungsformen, die lediglich in Verbindung mit dem Leuchtstoff und/oder dem Verfahren ausgeführt sind, können auch bei dem optoelektronischen Bauelement ausgebildet sein und jeweils umgekehrt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das optoelektronische Bauelement einen Halbleiterchip, der im Betrieb elektromagnetische Strahlung eines ersten Wellenlängenbereichs von einer Strahlungsaustrittsfläche aussendet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das optoelektronische Bauelement einen hier beschriebenen Leuchtstoff auf. Besonders bevorzugt handelt es sich bei dem ersten Wellenlängenbereich ganz oder teilweise um das Anregungsspektrum des Leuchtstoffs. Der Leuchtstoff wandelt elektromagnetische Strahlung des ersten Wellenlängenbereichs vollständig oder teilweise in elektromagnetische Strahlung eines zweiten Wellenlängenbereichs um. Die elektromagnetische Strahlung des zweiten Wellenlängenbereichs bildet das Emissionsspektrum des Leuchtstoffs aus.
Bei dem Halbleiterchip handelt es sich zum Beispiel um einen Leuchtdiodenchip oder einen Laserdiodenchip. Bevorzugt weist der Halbleiterchip eine epitaktisch gewachsene Halbleiterschichtenfolge mit einer aktiven Zone auf, die dazu eingerichtet ist, elektromagnetische Strahlung zu erzeugen. Hierzu weist die aktive Zone beispielsweise einen pn- Übergang, eine Doppelheterostruktur, eine Einfachquantentopf- oder, besonders bevorzugt, eine MehrfachquantentopfStruktur auf. Bevorzugt sendet der Halbleiterchip im Betrieb elektromagnetische Strahlung aus dem ultravioletten Spektralbereich und/oder aus dem sichtbaren Spektralbereich, besonders bevorzugt aus dem blauen Spektralbereich, aus.
Die elektromagnetische Strahlung des zweiten
Wellenlängenbereichs ist von dem ersten Wellenlängenbereich bevorzugt verschieden. Der Leuchtstoff verleiht dem optoelektronischen Bauelement wellenlängenkonvertierende Eigenschaften.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das optoelektronische Bauelement ein Konversionselement auf, das einen hier beschriebenen Leuchtstoff aufweist. Das Konversionselement weist neben dem hier beschriebenen Leuchtstoff ein Matrixmaterial auf, in dem der Leuchtstoff in Form von Partikeln eingebettet ist. Das Matrixmaterial ist bevorzugt aus der Gruppe der Polysiloxane, Epoxide, Gläser und Hybridmaterialien ausgewählt. Beispielsweise ist in dem Matrixmaterial ein weiterer Leuchtstoff eingebracht. Der weitere Leuchtstoff ist beispielsweise ein Granat-Leuchtstoff oder ein Nitrid-Leuchtstoff.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform besteht das Konversionselement aus dem hier beschriebenen Leuchtstoff. Beispielsweise ist der Leuchtstoff als Keramik ausgebildet.
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 optoelektronische Bauelement sendet in diesem Fall bevorzugt Mischlicht aus, das sich aus elektromagnetischer Strahlung des ersten Wellenlängenbereichs und elektromagnetischer Strahlung des zweiten Wellenlängenbereichs zusammensetzt. Beispielsweise sendet das optoelektronische Bauelement weißes Licht aus.
Das optoelektronische Bauelement ist insbesondere zur Verwendung in einer Pflanzenbeleuchtung geeignet und vorgesehen. Merkmale und Ausführungsformen, die lediglich in Verbindung mit dem optoelektronischen Bauelement und/oder dem Leuchtstoff und/oder dem Verfahren ausgeführt sind, können auch bei der Pflanzenbeleuchtung ausgebildet sein und jeweils umgekehrt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist eine Pflanzenbeleuchtung ein hier beschriebenes optoelektronisches Bauelement auf. Das optoelektronische Bauelement emittiert bevorzugt elektromagnetische Strahlung im blauen Wellenlängenbereich und elektromagnetische Strahlung im roten Wellenlängenbereich. Der Halbleiterchip sendet hierbei bevorzugt die elektromagnetische Strahlung im blauen Wellenlängenbereich aus. Der Leuchtstoff wandelt einen Teil der elektromagnetischen Strahlung des blauen Wellenlängenbereichs in elektromagnetische Strahlung des roten Wellenlängenbereichs um, während ein weiterer Teil der ausgesendeten elektromagnetischen Strahlung des Halbleiterchips unkonvertiert von dem optoelektronischen Bauelement ausgesendet wird. Der Leuchtstoff emittiert bevorzugt elektromagnetische Strahlung im roten Wellenlängenbereich von einschließlich 550 Nanometer bis einschließlich 800 Nanometer.
Die für die Photosynthese der Pflanzen relevanten Wellenlängenbereiche eines Absorptionsspektrums des Chlorophylls A und des Chlorophylls B der Pflanzen liegen zwischen ungefähr 380 Nanometer und ungefähr 490 Nanometer und zwischen 630 Nanometer und 740 Nanometer. Chlorophyll A absorbiert elektromagnetische Strahlung im
Wellenlängenbereich von ungefähr 380 Nanometer bis ungefähr 450 Nanometer und ungefähr 630 Nanometer bis ungefähr 680 Nanometer. Chlorophyll B absorbiert elektromagnetische Strahlung im Wellenlängenbereich von ungefähr 380 Nanometer bis ungefähr 480 Nanometer und ungefähr 620 Nanometer bis ungefähr 650 Nanometer. Somit sind die für die Photosynthese der Pflanzen relevanten Wellenlängenbereiche des Absorptionsspektrums mit dem hier beschriebenen optoelektronischen Bauelement sehr gut abgedeckt. Der Wellenlängenbereich des Absorptionsspektrums bei 730 Nanometer ist für die Blüten- und Früchtebildung der Pflanzen besonders wichtig. Eine Idee des vorliegenden optoelektronischen Bauelements ist es, eine Intensität im Wellenlängenbereich im
Emissionsspektrum zwischen 550 Nanometer und 800 Nanometer zu erzeugen. Der breite Wellenlängenbereich im Emissionsspektrum deckt beide roten Wellenlängenbereiche, die für den Einsatz als Pflanzenbeleuchtung notwendig sind, im geeigneten Intensitätsverhältnis sehr gut ab. Der Leuchtstoff weist somit in der Regel im Wellenlängenbereich bei etwa 730 Nanometer eine Intensität auf, die sich positiv auf die Bildung von Blüten und Früchten von Pflanzen auswirkt.
Weiterhin ist der Einsatz als Pflanzenbeleuchtung des hier beschriebenen optoelektronischen Bauelements besonders vorteilhaft, da nur eine einzige Versorgungsspannung benötigt wird. Hierbei sind alle benötigten Wellenlängenbereiche durch das optoelektronische Bauelement abgedeckt. Somit ist der Einsatz eines hier beschriebenen optoelektronischen Bauelements vergleichsweise günstig, da nur der hier beschriebene rote Leuchtstoff und ein blau emittierender Halbleiterchip benötigt wird.
Zusätzlich ist der Leuchtstoff besonders gut zum Einsatz in einer Pflanzenbeleuchtung geeignet, da er eine hohe chemische Stabilität, Temperaturbeständigkeit und Feuchtigkeitsbeständigkeit aufweist. Somit ist die Pflanzenbeleuchtung mit dem Leuchtstoff besonders gut zur Verwendung in Gewächshäusern geeignet. Mit Vorteil führt die Beständigkeit zu einer verlangsamten Alterung des optoelektronischen Bauelements.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen des Leuchtstoffs, des Bauelements, der Pflanzenbeleuchtung und des Verfahrens ergeben sich aus den im Folgenden in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Ausführungsbeispielen .
Es zeigen:
Figur 1 einen Ausschnitt des Wirtsgitters des Leuchtstoffs in Blickrichtung a gemäß einem Ausführungsbeispiel,
Figur 2 ein Pulverdiffraktogramm des Leuchtstoffs b- Ca2Si5N8:RE gemäß einem Ausführungsbeispiel,
Figur 3 ein Emissionsspektrum des Leuchtstoffs b-Ca2Si5N8 :RE gemäß einem Ausführungsbeispiel bei Anregung mit elektromagnetischer Strahlung eines Anregungsspektrums mit einem Maximum bei einer Wellenlänge von etwa 460 Nanometer,
Figur 4 eine Kubelka-Munk-Funktion des Leuchtstoffs b- Ca2Si5N8:RE gemäß einem Ausführungsbeispiel,
Figur 5 zwei Emissionsspektren des Leuchtstoffs b- Ca2Si5N8:RE und einem Vergleichsleuchtstoff a-Ca2Si5N8 :Eu bei Anregung mit elektromagnetischer Strahlung eines Anregungsspektrums mit einem Maximum bei einer Wellenlänge von etwa 460 Nanometer,
Figur 6 einen Vergleich der Verhältnisse der relativen Intensitäten der Emissionsspektren bei 730 Nanometer und 660 Nanometer des Leuchtstoffs b-Ca2Si5N8 :RE und des Vergleichsleuchtstoffs a-Ca2Si5N8 :Eu,
Figur 7 eine schematische Schnittdarstellung verschiedener Verfahrensstadien eines Verfahrens zur Herstellung eines Leuchtstoffs gemäß einem Ausführungsbeispiel,
Figur 8 und Figur 9 eine schematische Schnittdarstellung eines optoelektronischen Bauelements gemäß jeweils einem Ausführungsbeispiel und Figur 10 eine schematische Schnittdarstellung einer Pflanzenbeleuchtung 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.
Figur 1 zeigt einen Ausschnitt des Wirtsgitters des Leuchtstoffs 1 mit der Formel b-Ca2 -xEAxS5 -yAlyN8-zOz:RE, vorliegend des Leuchtstoffs LI mit der Formel b-Ca2Si5N8 :RE in einer schematischen Darstellung gemäß einem Ausführungsbeispiel .
Das Wirtsgitter weist eine Struktur mit einer monoklinen Raumgruppe P1211 auf. Die Struktur des Wirtsgitters weist eckenverknüpfte (Si,Al)(N,O)4-Tetraeder auf. Vorliegend weist das Wirtsgitter (Si,Al)(N,O)4-Tetraeder mit SiN4-Tetraedern 10 auf. Die Ecke 9 ist entweder ein gemeinsames Sauerstoffatom oder ein gemeinsames Stickstoffatom 5. Die Struktur des Leuchtstoffes L1 wurde anhand von Röntgenstrukturanalysemessungen ermittelt, deren Ergebnisse beispielhaft in Tabelle 1 dargestellt sind. In der Figur 1 sind aufgrund der Übersichtlichkeit nicht alle Tetraeder und Atome mit einem Bezugszeichen versehen. Das SiN4-Tetraeder 10 weist eine Tetraederlücke auf. Die Tetraederlücke ist ein Bereich im Inneren des jeweiligen Tetraeders. Die Sauerstoffatome und die Stickstoffatome 5 des (Si,Al)(N,O)4-Tetraeders spannen ein Tetraeder auf, wobei sich das Siliziumatom 8 oder Aluminiumatom in der Tetraederlücke des durch die Sauerstoffatome und die Stickstoffatome 5 aufgespannten Tetraeders befindet. Hierbei befinden sich bevorzugt alle Atome, welche das Tetraeder aufspannen in ähnlichem Abstand zu dem Siliziumatom 8 oder Aluminiumatom, welches sich in der Tetraederlücke befindet. Vorliegend ist zumindest ein SiN4-Tetraeder 10 mit einem weiteren SiN4-Tetraeder 10 über ein Stickstoffatom 5 verknüpft. Das Stickstoffatom 5, das das SiN4-Tetraeder 10 mit dem weiteren SiN4-Tetraeder 10 verknüpft, ist ein gemeinsames Stickstoffatom 5 der SiN4-Tetraeder 10.
Die SiN4-Tetraeder 10 bilden über eine Ecke 9 verknüpfte Kanäle aus, in denen sich zumindest ein Calciumatom 2 und/oder EA-Atom und/oder RE-Atom 4 befindet. Das Calciumatom 2 und/oder EA-Atom kann durch ein RE-Atom 4 als Aktivator- Element ersetzt werden. Die Kanäle sind als Hohlräume in Strängen von eckenverknüpften (Si,Al)(N,O)4-Tetraedern ausgebildet. Jedes (Si,Al)(N,O)4-Tetraeder ist zumindest über ein weiteres (Si,Al)(N,O)4-Tetraeder desselben oder des Nachbarstrangs verknüpft. Durch diese Verknüpfung entstehen, wie in Figur 1 gezeigt, Schichten aus eckenverknüpften (Si,Al)(N,O)4-Tetraedern.
Die Kristallstruktur des Leuchtstoffs L1 kann als verzerrter Sr2Si5N8-Sturkturtyp beschrieben werden.
Die unten stehende Tabelle 1 zeigt die kristallografischen Daten des Leuchtstoffs L1 b-Ca2Si5N8 :Eu2+. Bei der monoklinen Raumgruppe sind die Winkel a und g gleich 90° und b ungleich 90° und die Gitterparameter a, b und c unterscheiden sich. Die Mischbesetzung von Europiumatomen und Calciumatomen 2 wurde in der Strukturverfeinerung aufgrund des geringen atomaren Anteils an Europium nicht berücksichtigt. Tabelle 1:Kristallografische Daten von b-Ca2Si5N8:Eu2+.
Figure imgf000023_0001
Die unten stehende Tabelle 2 zeigt Atomlagenbesetzungen und isotrope Auslenkungsparameter für den Leuchtstoff L1 b- Ca2Si5N8:Eu2+.
Tabelle 2:Atomlagen, Besetzungen und isotrope Auslenkungsparameter für den Leuchtstoff L1 b-Ca2Si5N8:Eu2+.
Figure imgf000023_0002
Figure imgf000024_0001
Das Ergebnis der Rietveld-Verfeinerung des Pulverdif fraktogramms des Leuchtstoffs L1 ist in Figur 2 gezeigt. C0 zeigt die gemessenen Werte der Intensität der gemessenen Röntgenstrahlung, C1 die berechneten Werte der Intensität der Röntgenstrahlung und C2 die Differenz der gemessenen Werte zu den berechneten Werten. Hierbei ist die Intensität I in willkürlichen Einheiten jeweils gegen den Winkel 2q in Grad zwischen einer Strahlungsquelle der
Röntgenstrahlung, dem Leuchtstoff und einem Detektor für die Röntgenstrahlung aufgetragen. Die Auswertungen bestätigen das angenommene Strukturmodell des Leuchtstoffs L1. Figur 3 zeigt exemplarisch ein Emissionsspektrum E1 eines Leuchtstoffs L1 bei Anregung mit elektromagnetischer Strahlung 21 eines Anregungsspektrums mit einem Maximum bei einer Wellenlänge von 460 Nanometer. Das Emissionsspektrum E1 ist die spektrale Intensität I der von dem Leuchtstoff L1 ausgesandten elektromagnetischen Strahlung 21 in Abhängigkeit der Wellenlänge l. Die Wellenlänge des Emissionsmaximums des Emissionsspektrums E1 des Leuchtstoffs L1 liegt zwischen einschließlich 620 Nanometer und einschließlich 660
Nanometer.
In der Figur 4 ist die auf 1 normierte Kubelka-Munk Funktion E2 für den Leuchtstoff L1 gezeigt. Der Wert der Kubelka-Munk
Funktion E2 beschreibt das Verhältnis aus Absorption und Streuung bei der jeweiligen Wellenlänge. Hierbei kann näherungsweise ein Remissionsspektrum in ein
Absorptionsspektrum umgerechnet werden. Bei der Kubelka-Munk Funktion E2 ist der Kubelka-Munk-Wert KM gegen die Wellenlänge l aufgetragen. Der Kubelka-Munk-Wert KM lässt sich über folgende Formel bestimmen: , wobei R die
Figure imgf000025_0001
Reflektanz der Probe ist. Die Kubelka-Munk Funktion E2 weist ein Maximum bei einer Wellenlänge von etwa 420 Nanometer auf und erreicht erst für Wellenlängen größer 555 Nanometer ein Minimum. Somit kann der Leuchtstoff L1 effizient mit
Halbleiterchips, die elektromagnetische Strahlung 21 eines Anregungsspektrums mit einem Maximum bei einer Wellenlänge von 355 Nanometer bis 550 Nanometer, bevorzugt 400 Nanometer bis 480 Nanometer , emittieren, angeregt werden.
Figur 5 zeigt exemplarisch zwei Emissionsspektren E1, E3 eines Leuchtstoffs L1 und eines Vergleichsleuchtstoffs VL1 a- Ca2Si5N8 :Eu. Das Emissionsspektrum E1 des Leuchtstoffs L1 ist zu dem Emissionsspektrum der Figur 3 analog. Das Wirtsgitter des Leuchtstoffs L1 ist polymorph zu dem Wirtsgitter des Vergleichsleuchtstoffs VL1. Die Leuchtstoffe L1 und VL1 werden bei einer elektromagnetischen Strahlung 21 des Anregungsspektrums mit einem Maximum bei einer Wellenlänge des Halbleiterchips 12 von ungefähr 460 Nanometer angeregt.
Es wird gezeigt, dass der Leuchtstoff L1 eine deutlich verschobene Wellenlänge des Emissionsmaximums im Vergleich zu dem Vergleichsleuchtstoff VL1 aufweist. Die Wellenlänge des Emissionsmaximums des Leuchtstoffs L1 liegt hierbei bei 638 Nanometer und des Vergleichsleuchtstoffs VL1 bei etwa 610 Nanometer.
Weiterhin ist in der Figur 5 gezeigt, dass das Emissionsspektrum E1 des Leuchtstoffs L1 in einem Wellenlängenbereich zwischen einschließlich 720 Nanometer und einschließlich 740 Nanometer eine Intensität aufweist, die zwischen einschließlich 15 % und einschließlich 50 % des Emissionsmaximums liegt. Hingegen weist das Emissionsspektrum E3 des Vergleichsleuchtstoffs VL1 in dem Wellenlängenbereich zwischen einschließlich 720 Nanometer und einschließlich 740 Nanometer eine Intensität von kleiner 15 % auf.
In der Figur 6 sind die jeweiligen Verhältnisse der Intensitäten I1 und VI1 bei 730 Nanometer und 660 Nanometer der jeweiligen Emissionsspektren E1 und E3 der Leuchtstoffe L1 und VL1 dargestellt. Es ist deutlich zu erkennen, dass der Leuchtstoff L1 einen deutlich höheren Anteil an langwelligerer Strahlung erzeugt als der vergleichbare Vergleichsleuchtstoff VL1. Dies führt dazu, dass das Emissionsspektrum des Leuchtstoffs L1 einen höheren Anteil der für die Blütenbildung und Knospenbildung der Pflanzen 19 wesentlichen Strahlung im Spektralbereich um 730 Nanometer aufzeigt.
Bei dem Verfahren gemäß dem Ausführungsbeispiel der Figur 7 werden in einem ersten Verfahrensschritt S1 die Edukte Ba2- xEAxSi5-yAlyN8-zOz:RE und CaCl2bereitgestellt. Die Edukte werden homogen vermengt. Anschließend wird das Gemenge in einen offenen Nickeltiegel überführt, der in einen Rohrofen gegeben wird .
In einem zweiten Verfahrensschritt S2 wird das Gemenge unter einer Formiergasatmosphäre (N2:H2 = 92,5:7,5), die reduzierende Bedingungen gewährleisten soll, oder unter einer Stickstof fatmosphäre bei einer Temperatur zwischen einschließlich 700 °C und einschließlich 1100 °C erhitzt. Das Gemenge wird vorliegend für etwa 3 Stunden erhitzt. Anschließend wird der Glühkuchen mit Wasser und/oder Ethanol gewaschen und getrocknet. Der Leuchtstoff L1 wird beispielsweise hergestellt, indem als Edukt Ba2Si5N8:RE und CaCl2 vermischt, homogenisiert und erhitzt werden. Das entsprechende Verhältnis der einzelnen Edukte zueinander ist exemplarisch in Tabelle 3 gezeigt.
Tabelle 3:Edukte für die Synthese des Leuchtstoffs L1.
Figure imgf000027_0001
Die Figur 8 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines optoelektronischen Bauelements 11, das einen Halbleiterchip 12, der im Betrieb elektromagnetische Strahlung 21 eines ersten Wellenlängenbereichs von einer
Strahlungsaustrittsfläche 18 aussendet, aufweist. Die elektromagnetische Strahlung 21 des ersten Wellenlängenbereichs weist ein Emissionsspektrum auf, das auch als Emissionsspektrum des Halbleiterchips 12 bezeichnet wird. Der Halbleiterchip 12 umfasst eine epitaktisch gewachsene Halbleiterschichtenfolge mit einer aktiven Zone 16, die dazu geeignet ist, elektromagnetische Strahlung 21 zu erzeugen.
Außerdem umfasst das optoelektronische Bauelement 11 einen Verguss 14. Der Verguss 14 weist eine Durchlässigkeit für elektromagnetische Strahlung 21 zumindest der aktiven Zone 16 auf, die mindestens 85 %, bevorzugt 95 %, beträgt. Der Halbleiterchip 12 ist von dem Verguss 14 umgeben. Ebenso weist das optoelektronische Bauelement 11 ein Konversionselement 13 mit einem Leuchtstoff LI auf, der elektromagnetische Strahlung 21 des ersten
Wellenlängenbereichs in elektromagnetische Strahlung 21 eines zweiten Wellenlängenbereichs umwandelt. Die elektromagnetische Strahlung 21 des zweiten Wellenlängenbereichs weist ein Emissionsspektrum auf, das auch als Emissionsspektrum des Leuchtstoffs L1 bezeichnet wird. Der Leuchtstoff L1 ist in Form von Partikeln in ein Matrixmaterial 22 eingebettet. Das Matrixmaterial 22 ist aus der Gruppe der Polysiloxane ausgewählt. Das Konversionselement 13 kann als eine Konversionsschicht ausgebildet sein.
Das optoelektronische Bauelement 11 gemäß dem Ausführungsbeispiel der Figur 9 umfasst einen Halbleiterchip 12, ein Trägerelement 15, eine Klebeschicht 17 und ein Konversionselement 13. Das Konversionselement 13 ist mit Hilfe der Klebeschicht 17 auf einer Strahlungsaustrittsfläche 18 des Halbleiterchips 12 angeordnet. Das Konversionselement 13 kann jedoch auch direkt auf der Strahlungsaustrittsfläche 18 des Halbleiterchips 12 aufgebracht sein. Die der Strahlungsaustrittsfläche 18 gegenüberliegende Fläche des Halbleiterchips 12 ist auf dem Trägerelement 15 zur Stabilisierung angeordnet. Das Konversionselement 13 ist als Konversionsschicht ausgebildet und weist einen Leuchtstoff L1 auf, der in Form von Partikeln in das Matrixmaterial 22 eingebettet ist. Zusätzlich können in das Konversionselement 13 weitere Leuchtstoffe eingebettet sein. Der weitere Leuchtstoff ist beispielsweise ein Granat-Leuchtstoff oder ein Nitrid-Leuchtstoff.
Die Pflanzenbeleuchtung 20 gemäß dem Ausführungsbeispiel der Figur 10 umfasst ein optoelektronisches Bauelement 11, wie es beispielsweise anhand der Figuren 8 und 9 bereits beschrieben wurde. Das optoelektronische Bauelement 11 ist dazu vorgesehen, elektromagnetische Strahlung 21 zu emittieren und somit die Bildung von Knospen und Blüten einer Pflanze 19 zu verbessern. Das Chlorophyll A und das Chlorophyll B der Pflanze 19 weisen im Absorptionsspektrum Maxima bei einer Wellenlänge von etwa 380 Nanometer bis einschließlich 490 Nanometer und 630 Nanometer bis einschließlich 740 Nanometer auf. Der Leuchtstoff 1 emittiert elektromagnetische Strahlung 21 im roten Wellenlängenbereich von 550 Nanometer bis 800 Nanometer und der Halbleiterchip 12 emittiert elektromagnetische Strahlung 21 im blauen Wellenlängenbereich, welche nicht vollständig von dem Leuchtstoff 1 konvertiert wird. Somit sind die für die Pflanze 19 relevanten Wellenlängenbereiche abgedeckt.
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. Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Patentanmeldung 102019 123 881.1, deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.
Bezugszeichenliste
1 Leuchtstoff
2 Calciumatom
4 RE-Atom
5 Stickstoffatom
8 Siliziumatom
9 Ecke
10 SiN4-Tetraeder
11 optoelektronisches Bauelement
12 Halbleiterchip
13 Konversionselement
14 Verguss
15 Trägerelement
16 aktive Zone
17 Klebeschicht
18 Strahlungsaustrittsfläche
19 Pflanze
20 Pflanzenbeleuchtung
21 elektromagnetische Strahlung
22 Matrixmaterial c0 gemessen c1 berechnet c2 Differenz
L1 b-Ca2Si5N8:Eu
S1 Verfahrensschritt 1
S2 Verfahrensschritt 2
VL1 Vergleichsleuchtstoff a-Ca2Si5N8 :Eu E1 Emissionsspektrum von L1 E2 Kubelka-Munk-Funktion E3 Emissionsspektrum von VL1 I1 Intensität von L1
VI1 Intensität von VL1

Claims

Patentansprüche
1. Leuchtstoff (1) mit der allgemeinen Formel b-C2 -xEAxSi5- yAlyN8-zOz :RE, wobei
- EA ausgewählt ist aus der Gruppe der zweiwertigen Elemente,
- RE ein Aktivator-Element ist,
- 0 £ x £ 0,5,
- 0 £ y £ 5, und
- 0 £ z £ 5, wobei ein Wirtsgitter des Leuchtstoffs (1) eine Struktur mit der monoklinen Raumgruppe P1211 aufweist.
2. Leuchtstoff (1) nach dem vorherigen Anspruch, wobei EA ausgewählt ist aus der Gruppe gebildet durch die folgenden Elemente und die Kombinationen der folgenden Elemente: Mg, Sr, Ba.
3. Leuchtstoff (1) nach einem der obigen Ansprüche mit der allgemeinen Formel b-Ca2Si5N8 :RE.
4. Leuchtstoff (1) nach einem der obigen Ansprüche, wobei RE ausgewählt ist aus der Gruppe gebildet durch die folgenden Elemente: die Elemente der seltenen Erden, Mn, Cr und Ni.
5. Leuchtstoff (1) nach einem der obigen Ansprüche, wobei RE ausgewählt ist aus der Gruppe gebildet durch die folgenden Elemente: Eu, Ce, Yb.
6. Leuchtstoff (1) nach einem der obigen Ansprüche, wobei gilt: 0 £ x £ 0,2.
7. Leuchtstoff (1) nach einem der obigen Ansprüche, wobei gilt: 0 £ y £ 1.
8. Leuchtstoff (1) nach einem der obigen Ansprüche, bei dem das Wirtsgitter eine Struktur aufweist, die (Si,Al) (N,O)4-Tetraeder umfasst.
9. Leuchtstoff (1) nach dem vorherigen Anspruch, bei dem zumindest zwei (Si,Al)(N,O)4-Tetraeder über eine Stickstoffecke und/oder über eine Sauerstoffecke miteinander verknüpft sind.
10. Leuchtstoff (1) nach dem vorherigen Anspruch, bei dem die (Si,Al)(N,O)4-Tetraeder Kanäle ausbilden, in denen sich zumindest ein Ca-Atom (2) und/oder ein EA-Atom und/oder ein RE-Atom (4) befindet.
11. Leuchtstoff (1) nach einem der obigen Ansprüche, der ein Emissionsspektrum mit einem Emissionsmaximum bei einer Wellenlänge zwischen einschließlich 620 Nanometer und einschließlich 660 Nanometer aufweist.
12. Leuchtstoff (1) nach einem der obigen Ansprüche, der eine Dominanzwellenlänge zwischen einschließlich 570 Nanometer und einschließlich 620 Nanometer aufweist.
13. Leuchtstoff (1) nach einem der obigen Ansprüche, bei dem das Emissionsspektrum eine FWHM-Breite zwischen einschließlich 100 Nanometer und einschließlich 120 Nanometer aufweist.
14. Leuchtstoff (1) nach einem der obigen Ansprüche, bei dem das Emissionsspektrum in einem Wellenlängenbereich zwischen einschließlich 720 Nanometer und einschließlich 740 Nanometer eine Intensität aufweist, die zwischen einschließlich 25 % und einschließlich 50 % des Emissionsmaximums liegt.
15. Verfahren zur Herstellung eines Leuchtstoffs (1) mit der allgemeinen Formel b-Ca2 -xEAxS5 -yAlyN8-zOz:RE mit den Schritten:
- Bereitstellen der Edukte Ba2-xEAxSi5-yAlyN8-zOz:RE und CaCl2,
- Erhitzen der Edukte auf eine Temperatur zwischen einschließlich 700 °C und einschließlich 1100 °C.
16. Verfahren zur Herstellung eines Leuchtstoffs (1) nach dem vorherigen Anspruch, bei dem als Edukt Ba2Si5N8:RE bereitgestellt wird.
17. Optoelektronisches Bauelement (11) mit:
- einem Halbleiterchip (12), der im Betrieb elektromagnetische Strahlung eines ersten
Wellenlängenbereichs von einer Strahlungsaustrittsfläche (18) aussendet,
- einem Leuchtstoff (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, der elektromagnetische Strahlung des ersten Wellenlängenbereichs in elektromagnetische Strahlung eines zweiten Wellenlängenbereichs umwandelt.
18. Pflanzenbeleuchtung (20) aufweisend ein optoelektronisches Bauelement (11) nach Anspruch 17.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN108034422A (zh) * 2017-12-15 2018-05-15 成都理工大学 一种稀土掺杂碱土金属氮化物荧光粉的制备方法

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"Muenchen", 1 January 2006, Muenchen, article FLORIAN STADLER: "Dissertation zur Erlangung des Doktorgrades Neue Nitridosilicate und ihre Verwendung f?r phosphor-konvertierte LEDs", pages: 194 - 217, XP055183768 *

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