DE102016116016A1

DE102016116016A1 - Leuchtstoff, Verwendung eines Leuchtstoffs und Verfahren zur Herstellung eines Leuchtstoffs

Info

Publication number: DE102016116016A1
Application number: DE102016116016.4A
Authority: DE
Inventors: Daniel Bichler; Mark Vorsthove; Stephanie Dirksmeyer
Original assignee: Osram GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2016-08-29
Filing date: 2016-08-29
Publication date: 2018-03-01
Also published as: WO2018041675A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Leuchtstoff (1) mit der Formel (REaCa1-a-bCeb)3(Mg1-cAlc)2(AldSi1-d)3O12, wobei RE zumindest ein Element der seltenen Erden, 0 ≤ a ≤ 1, b > 0, a + b ≤ 1, 0 ≤ c ≤ 1, 0 ≤ d ≤ 1 und c + d > 0 ist, wobei der Leuchtstoff ein kubisches Kristallsystem mit der Raumgruppe

Description

Die Erfindung betrifft einen Leuchtstoff. Ferner betrifft die Erfindung die Verwendung eines Leuchtstoffs. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Leuchtstoffs.
In optoelektronischen Bauelementen, wie beispielsweise Leuchtdioden (LEDs), werden Leuchtstoffe eingesetzt, die zur Wellenlängenkonversion eingerichtet sind. Interessant sind vor allem Rot emittierende Leuchtstoffe. Fast alle bislang existierenden Rot emittierenden Leuchtstoffe basieren auf Europium oder Mangan als Leuchtstoffzentren, beispielsweise (Sr, Ca, Ba)₂ AlSiN₃:Eu,(Sr, Ca) AlSiN₃:Eu oder K₂SiF₆:Mn. Diese Leuchtstoffe weisen allerdings den Nachteil auf, dass sie eine sehr lange Abklingzeit aufweisen. Lange Abklingzeiten bedeuten, dass die Leuchtstoffe nach ihrer Anregung in einen angeregten Zustand nur sehr langsam in den Grundzustand unter Emission von roter Strahlung zurückfallen. Damit kommt es bei einer hohen Anregungsleistung zu einer schnellen Sättigung der Leuchtstoffzentren und zu Quenchingeffekten, die die Effizienz der Leuchtstoffe vermindern. Im Vergleich zu Europium- oder Mangan-dotierten Leuchtstoffen weisen Cer-dotierte Leuchtstoffe vergleichsweise kurze Abklingzeiten auf. Daraus resultiert eine deutlich langsamere Sättigung der Leuchtstoffzentren und eine deutlich höhere Effizienz von Cer-dotierten Leuchtstoffen bei hoher Anregungsleistung. Dies ist insbesondere für Anwendungen im High Power-Bereich, also bei Anwendungen mit einer Leistungsdichte ab 1 Watt pro Quadratmillimeter interessant. Allerdings gibt es bislang nur sehr wenige Cer-dotierte Rot emittierende Leuchtstoffe.
Nach Kenntnis der Erfinder sind nur wenige Cer-dotierte rote Festkörperleuchtstoffe in der Literatur bekannt. Bekannt ist ein Leuchtstoff der Formel Lu₂CaMg₂(Si,Ge)₃O₁₂:Ce, der Licht bei einem Emissionsmaximum von 605 nm emittiert (Setlur, A. A. et al., Chem. Mater. 2006, 18, 3314 bis 3322; US 7,094,362 B2 ). Bekannt ist auch ein Rot emittierender Leuchtstoff der Formel Sr₆(Y_1-xCe_x)₂Al₄O₁₅ (0,1 ≤ x ≤ 0,2) mit einem Maximum der Emissionsstrahlung von etwa 600 nm (Kawano Y. et al., Optical Materials Express 2014, 4, 1770). Ein weiterer bekannter Rot emittierender Leuchtstoff folgt der Formel CaSiN₂:Ce und weist ein Emissionsmaximum von etwa 625 nm auf (R. Le Toquin et al., Chemical Physics Letters 2006, 423, 352 bis 356).
Eine Aufgabe der Erfindung ist es, einen Leuchtstoff bereitzustellen, der eine effiziente Emission aufweist und mit dem sich hohe CRI-Werte in einer Konversionslösung erzielen lassen. Eine weitere Aufgabe besteht darin, ein einfaches Verfahren zur Herstellung eines Leuchtstoffs und deren Verwendung zur Wellenlängenkonversion anzugeben.
Diese Aufgaben werden durch einen Leuchtstoff mit den Merkmalen des Anspruchs 1, durch ein Verfahren zur Herstellung eines Leuchtstoffs mit den Merkmalen des Anspruchs 15 sowie durch die Verwendungsansprüche 13 und 14 gelöst. Vorteilhafte Ausführungen sowie Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
In zumindest einer Ausführungsform weist der Leuchtstoff die Formel (RE_aCa_1-a-bCe_b)₃(Mg_1-cAl_c)₂(Al_dSi_1-d)₃O₁₂ auf. Dabei ist RE zumindest ein Element der seltenen Erden, 0 ≤ a ≤ 1, b > 0, a + b ≤ 1, 0 ≤ c ≤ 1, 0 ≤ d ≤ 1 und c + d > 0. Der Leuchtstoff weist ein kubisches Kristallsystem mit der Raumgruppe Ia3d auf.
Leuchtstoff bezeichnet hier und im Folgenden einen Wellenlängenkonversionsstoff, also ein Material, das zur Absorption und Emission von elektromagnetischer Strahlung eingerichtet ist. Der Leuchtstoff absorbiert insbesondere Strahlung, die ein kleineres Wellenlängenmaximum als das Emissionsmaximum aufweist und emittiert Strahlung mit einem in Richtung Rot verschobenen Emissionsmaximum.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform emittiert der Leuchtstoff Strahlung aus dem roten Spektralbereich des elektromagnetischen Spektrums. Alternativ oder zusätzlich kann RE Yttrium (Y), Lutetium (Lu), Gadolinium (Gd) und/oder Terbium (Tb sein, wobei gilt: 0 < a < 1, a + b < 1, 0 < c < 1, 0 < d < 1 und c + d > 0. Strahlung aus dem roten Spektralbereich meint hier insbesondere eine Strahlung mit einer Dominanzwellenlänge von größer als 575 nm.
Die Erfinder haben erkannt, dass durch einen Leuchtstoff mit der Formel (RE_aCa_1-a-bCe_b)₃(Mg_1-cAl_c)₂(Al_dSi_1-d)₃O₁₂ ein Rot emittierender Wellenkonversionsstoff bereitgestellt werden kann, der ein kubisches Kristallgitter mit der Raumgruppe Ia3d aufweist und kürzerwellige Strahlung effizient in den roten Spektralbereich konvertiert.
Es ist möglich, dass der Leuchtstoff weitere Elemente etwa in Form von Verunreinigungen aufweist, wobei diese Verunreinigungen zusammengenommen bevorzugt höchstens einen Gewichtsanteil in dem Leuchtstoff von höchstens 0,1 ‰ oder 10 ppm aufweisen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist RE zumindest ein Element der seltenen Erden. Vorzugsweise umfasst RE zwei oder mehr als zwei seltene Erden. Vorzugsweise ist RE Yttrium, Lutetium, Gadolinium und/oder Terbium. Besonders bevorzugt ist RE Y und/oder Lu.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform gilt 0 ≤ a ≤ 1. a bezeichnet den Anteil an RE zu dem die Gitterplätze des Kalziums durch RE ersetzt sind. Bevorzugt ist a größer als 0 und kleiner als 1, insbesondere zwischen größer als 0.33 und kleiner 1, beispielsweise 0.64 oder 0.6667.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Leuchtstoff Cer auf. Der Anteil an Cer zu dem die Gitterplätze des Kalziums ersetzt sind, ist mit b symbolisiert. b ist größer als 0. Mit anderen Worten ist der hier beschriebene Leuchtstoff zwingend Cer-dotiert oder weist Cer auf. Vorzugsweise ist b zwischen 0,001 und 0,3, zum Beispiel 0,05.
Cer wirkt hier als Aktivator oder Dotierstoff. Alternativ oder zusätzlich kann RE auch als Aktivator oder Dotierstoff wirken. Der Aktivator kann sich dabei in das Kristallgitter einbauen. Bei Substitution von zweiwertigen Elementen durch dreiwertige Elemente beispielsweise Cer³⁺ ist die Ladungsneutralität nicht gegeben. Daher ist in der Regel eine Ladungskompensation nötig. Die Ladungskompensation kann insbesondere durch das Verhältnis der anderen Elemente erfolgen. Vorzugsweise liegt Cer mit der Oxidationsstufe +3 vor.
Durch die Dotierung des Leuchtstoffs mit Cer weist dieser eine kurze Abklingzeit auf. Damit ist es möglich, diesen Leuchtstoff mit einer Strahlungsquelle anzuregen, ohne dass es zu einer schnellen Sättigung der Leuchtstoffzentren und den damit verbundenen Quenching-Verlusten kommt. Mit dem Leuchtstoff lassen sich daher hohe Leuchtdichten erzielen. Beispielsweise sind die Abklingzeiten von Mangan-dotierten Leuchtstoffen oder Europium-dotierten Leuchtstoffen im Vergleich hierzu um bis zu sechs Größenordnungen langsamer.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Leuchtstoff Kalzium auf. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn die Summe der Anteile an RE und Cer kleiner als 1 ist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Leuchtstoff Magnesium auf. Vorzugsweise sind MgO₆-Oktaeder in dem Leuchtstoff vorhanden. Die Gitterplätze des Magnesiums können teilweise durch Aluminium ersetzt sein. Insbesondere ist der Anteil an Aluminium an den Gitterplätzen des Magnesiums, hier als c bezeichnet, ≥ 0 und ≤ 1. Vorzugsweise weist c einen Wert zwischen 0 und 1 auf. Mit anderen Worten können die Gitterplätze des Magnesiums zumindest teilweise durch Aluminium ersetzt sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Leuchtstoff SiO₄-Tetraeder auf. Vorzugsweise sind die Silizium-Gitterplätze zumindest teilweise durch Aluminium ersetzt. Der Anteil an Aluminium an den Silizium-Gitterplätzen wird hier mit einem d bezeichnet und ist vorzugsweise ≥ 0 und ≤ 1. Insbesondere weist d einen Wert von größer als 0 und kleiner als 1 auf. Mit anderen Worten können die Gitterplätze des Siliziums zumindest teilweise durch Aluminium ersetzt sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Leuchtstoff MgO₆-Oktaeder und SiO₄-Tetraeder auf, wobei zumindest entweder die Gitterplätze des Magnesiums oder die Gitterplätze des Siliziums teilweise durch Aluminium ersetzt sind oder auch beide. Die (Al,Mg)O₆-Oktaeder und (Si,Al)O₄-Tetraeder sind über Ihre Ecken zu einem Gerüst aus alternierenden Tetraedern und Oktaedern verbunden. Die Seltenerd- und Kalziumatome befinden sich in Kuboktaedern, die von diesem Gerüst aufgespannt werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Leuchtstoff ein kubisches Kristallsystem auf. Das kubische Kristallsystem weist alle Raumgruppen auf, die in vier unterschiedlichen Richtungen jeweils eine dreizählige Dreh- oder Drehinversionsachse besitzen. Vorzugsweise weist der Leuchtstoff die Raumgruppe Ia3d auf. Die Bezeichnung der Raumgruppe des Kristallsystems ist dem Fachmann hinreichend bekannt und wird daher an dieser Stelle nicht näher erläutert.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Leuchtstoff die folgende Summenformel auf: (Y_0,33Lu_0,31Ca_0,33Ce_0,02)₃(Mg_0,75 Al_0,25)₂(Al_0,16666 Si_0,8333)₃O₁₂ oder (YLu_0.94CaCe_0,06)(Mg_1,5Al_0,5)(Al_0,5Si_2,5)O_12.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist 0,3 < a < 1, 0 < b < 0.1, 0 < c < 0.5 und 0 < d < 0.333.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist a = 0,64, b = 0,02, c = 0,25 und d = 0,1667.
Die Parameter a, b, c und/oder d können jeweils eine Toleranz von 10%, 5%, 3% oder 1% von den oben beschriebenen Werten haben.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Gitterkonstante a des kubischen Kristallsystems des Leuchtstoffs zwischen 11,8 Angström und 12,3 Angström, vorzugsweise zwischen 11,9 Angström und 12,1 Angström.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist c = 0. Es resultiert die Strukturformel (RE_aCa_1-a-bCe_b)₃Mg₂(Al_dSi_1-d)₃O₁₂. Für RE, a, b und d gelten die obigen Ausführungen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist d = 0. Es resultiert die Strukturformel(RE_aCa_1-a-bCe_b)₃(Mg_1-cAl_c)₂Si₃O₁₂. Für RE, a, b und c gelten die obigen Ausführungen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist a = 0. Es resultiert die Strukturformel (Ca_1-bCe_b)₃(Mg_1-cAl_c)₂(Al_dSi_1-d)₃-O₁₂. Für RE, b, c und d gelten die obigen Ausführungen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist a = 0 und d = 0. Es resultiert die Strukturformel (Ca_1-bCe_b)₃(Mg_1-cAl_c)₂Si₃O₁₂. Für RE, b und c gelten die obigen Ausführungen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Leuchtstoff eine Dominanzwellenlänge von größer als 575 nm, bevorzugt größer als 580 nm auf. Die Dominanzwellenlänge ist die monochromatische Wellenlänge, die denselben Farbeindruck erzeugt wie eine polychromatische Lichtquelle. Die Dominanzwellenlänge ist also die Wellenlänge, die vom menschlichen Auge wahrgenommen wird. Im Allgemeinen weicht die Dominanzwellenlänge von einer Wellenlänge maximaler Intensität ab. Insbesondere liegt die Dominanzwellenlänge im roten Spektralbereich bei kleineren Wellenlängen als die Wellenlänge maximaler Intensität.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Schwerpunktswellenlänge größer als 600 nm mit einer Halbwertsbreite von größer als 125 nm. Die Schwerpunktellenlänge, auch als zentroide Wellenlänge bezeichnet, bezeichnet die Wellenlänge, bei der ein gegebenes Spektrum integral in zwei gleich große Teile unterteilt wird.
Der hier beschriebene Leuchtstoff zeigt vorzugsweise ein breites Emissionsband mit einer Dominanzwellenlänge von größer als 575 nm und einer Schwerpunktswellenlänge von größer als 600 nm mit einer Halbwertsbreite von größer als 125 nm.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform absorbiert der Leuchtstoff Strahlung aus dem blauen bis grünen Wellenlängenbereich. Der Leuchtstoff weist im Bereich von 400 nm und 550 nm ein Absorptionsmaximum zwischen 450 und 470 nm auf. Der Leuchtstoff kann breite Absorptionsbanden um die Wellenlängen der Absorptionsmaxima bei 310 nm und 460 nm aufweisen. Insbesondere ist das breite Absorptionsverhalten bei rund 460 nm optimal für die Anwendung dieses Leuchtstoffs in Konversions-LEDs.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Leuchtstoff eine Stokes-Verschiebung von mindestens 150 nm auf. Dies ist im Vergleich zu den bisher bekannten Cer-aktivierten Leuchtstoffen mit einer Granatstruktur überraschend. Die Stokes-Verschiebung wurde durch die Differenz zwischen dem Absorptionsmaximum (Reflektionsminimum im blauen Spektralbereich) und der Schwerpunktswellenlänge bestimmt. Die Stokes-Verschiebung ist hier definiert als die Wellenlängendifferenz zwischen der Wellenlänge des Absorptionsmaximums und des Maximums des höchsten Emissionspeaks. Bei breiten Emissionen, die aus mehreren Einzelemissionsbanden bestehen, werden die spektralen Intensitätsverteilungen der einzelnen Banden über Gaussfunktionen beschrieben. Für die Berechnung der Stokes-Verschiebung wird hier die so ermittelte Einzelemissionsbande mit der höchsten Energie (was der kleinsten Emissionswellenlänge entspricht) herangezogen. Die Bestimmung erfolgt zum Teil unterschiedlich in der Literatur, beispielsweise basierend auf Wellenlängenverteilungsfunktionen oder Energieverteilungsfunktionen, die zu jeweils unterschiedlichen Werten führt. Die hier angewandte Methode wurde gewählt, weil sie einfacher nachvollziehbar ist.
Die Erfindung betrifft ferner die Verwendung des Leuchtstoffs als Wellenlängenkonversionsstoff. Vorzugsweise wird der hier beschriebene Leuchtstoff als Wellenlängenkonversionsstoff in einem optoelektronischen Bauelement verwendet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das optoelektronische Bauelement eine Leuchtdiode. Unter Bauelement müssen hier nicht nur fertige Bauelemente verstanden werden, wie beispielsweise Leuchtdioden oder Laserdioden, sondern auch Substrate und Halbleiterschichten, so dass beispielsweise bereits ein Verbund einer Kupferschicht und einer Halbleiterschicht ein Bauelement darstellen und einen Bestandteil eines übergeordneten zweiten Bauelements bilden kann, in dem beispielsweise zusätzlich elektrische Anschlüsse vorhanden sind. Vorzugsweise ist das optoelektronische Bauelement ein Dünnfilm-Halbleiterchip, insbesondere ein Dünnfilm-Leuchtdiodenchip.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das optoelektronische Bauelement eine Schichtenfolge. Die Schichtenfolge kann eine Abfolge einer p-dotierten und einer n-dotierten Halbleiterschicht sein, wobei die Schichten übereinander angeordnet sind. Die Schichtenfolge kann elektromagnetische Strahlung emittieren, vorzugsweise elektromagnetische Strahlung aus dem blauen bis grünen Spektralbereich, die von dem Leuchtstoff absorbiert werden kann.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform kann die Schichtenfolge eine Halbleiterschichtenfolge eines Halbleiterchips sein. Die Halbleiterschichtenfolge des Halbleiterchips basiert bevorzugt auf einem III-V-Verbindungshalbleitermaterial. Bei dem Halbleitermaterial handelt es sich bevorzugt um ein Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial wie Al_nIn_1-n-mGa_mN oder auch um ein Phosphid-Verbindungshalbleitermaterial wie Al_nIn_1-n-mGa_mP, wobei jeweils 0 ≤ n ≤ 1, 0 ≤ m ≤ 1 und n + m ≤ 1 ist. Ebenso kann es sich bei dem Halbleitermaterial um Al_xGa_1-xAs handeln mit 0 ≤ x ≤ 1. Dabei kann die Halbleiterschichtenfolge Dotierstoffe sowie zusätzliche Bestandteile aufweisen. Der Einfachheit halber sind jedoch nur die wesentlichen Bestandteile des Kristallgitters der Halbleiterschichtenfolge, also Al, As, Ga, In, N oder P, angegeben, auch wenn diese teilweise durch geringe Mengen weiterer Stoffe ersetzt und/oder ergänzt sein können.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird im Betrieb des optoelektronischen Bauelements elektromagnetische Strahlung von der Halbleiterschichtenfolge emittiert und trifft auf den Leuchtstoff, der im Strahlengang der von dem Halbleiterchip emittierten Strahlung angeordnet ist. Die Strahlung wird von dem Leuchtstoff absorbiert, der wiederum Strahlung meist mit längerer Wellenlänge emittiert. Vorzugsweise emittiert der Leuchtstoff Strahlung aus dem roten Wellenlängenbereich und der Halbleiterchip Strahlung aus dem blauen Wellenlängenbereich, so dass bei Teilkonversion Mischstrahlung und bei Vollkonversion die von dem Leuchtstoff emittierte Strahlung aus dem Bauelement austritt.
Vorzugsweise kann das optoelektronische Bauelement neben dem erfindungsgemäßen Leuchtstoff einen weiteren Leuchtstoff aufweisen, beispielsweise einen Granat, ein Nitrid und/oder Orthosilikat.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform kann der Leuchtstoff in einem Matrixmaterial eingebettet sein. Vorzugsweise wird der Leuchtstoff eingebettet in einem Matrixmaterial als Vergussschicht oder Folie ausgeformt. Der Verguss kann beispielsweise stoffschlüssig oder eine Vergussmasse mit einer Schichtenfolge mit einem aktiven Bereich verbunden sein. Die Vergussmasse kann beispielsweise ein Polymer-Material sein. Insbesondere kann es sich um Epoxid oder Silikon handeln, wie ein methylsubstituiertes Silikon, beispielsweise Polydimethylsiloxan und/oder Polymethylvinylsiloxan, ein cyklohexylsubstituiertes Silikon, z. B. Polydicyklohexylsiloxan oder eine Kombination davon.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform kann das Matrixmaterial weitere Füllstoffe, beispielsweise Metalloxide, wie etwa Titandioxid, Siliziumdioxid, Zirkoniumdioxid, Zinkoxid, Aluminiumoxid und/oder Glaspartikel aufweisen. Vorzugsweise sind diese Füllstoffe als Streupartikel ausgeformt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform kann der Leuchtstoff als Partikel oder Keramikplättchen ausgeformt sein und zumindest teilweise die von dem Halbleiterchip emittierte Strahlung streuen. Der Leuchtstoff kann gleichzeitig als ein Leuchtzentrum, das Strahlung der von dem Halbleiterchip emittierten Strahlung teilweise absorbiert und eine weitere Strahlung emittiert und als Streuzentrum für die von dem Halbleiterchip emittierte Strahlung ausgebildet sein. Die Streueigenschaften des Leuchtstoffs können zu einer verbesserten Strahlungsauskopplung aus dem Bauelement führen. Die Streuwirkung kann beispielsweise auch zu einer Steigerung der Absorptionswahrscheinlichkeit von der von dem Halbleiterchip emittierten Strahlung in dem Leuchtstoff führen, wodurch eine geringere Schichtdicke der Schicht, die den Leuchtstoff enthält, erforderlich sein kann.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das optoelektronische Bauelement eine Verkapselung auf. Die Verkapselung kann insbesondere eine Dünnschichtverkapselung sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Leuchtstoff in direktem Kontakt mit der Strahlungsquelle, also dem Halbleiterchip. So kann die Konversion der von dem Halbleiterchip emittierten Strahlung in die von dem Leuchtstoff emittierte Strahlung zumindest teilweise nahe der Strahlungsquelle beispielsweise in einem Abstand Leuchtstoff und Strahlungsquelle von kleiner oder gleich 200 µm, bevorzugt kleiner oder gleich 50 µm erfolgen (so genannte Chip Level Conversion).
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Leuchtstoff von der Strahlungsquelle beabstandet. So kann zumindest teilweise die Konversion der von dem Halbleiterchip emittierten Strahlung in die von dem Leuchtstoff konvertierte Strahlung in einem großen Abstand zur Strahlungsquelle erfolgen, beispielsweise in einem Abstand zwischen Leuchtstoff und Strahlungsquelle von größer oder gleich 200 µm, bevorzugt größer oder gleich 750 µm, besonders bevorzugt größer oder gleich 900 µm (so genannte Remote Phosphor Conversion).
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird der Leuchtstoff in High Power weißen LEDs eingesetzt. Für Weißlichtquellen oder Vollkonversion in High Power-Anwendungen ist es notwendig, dass die eingesetzten Leuchtstoffe bei hohen Leistungsdichten der anregenden blauen bis grünen Primärstrahlung hohe Leuchtdichten an konvertierter Strahlung erzeugen. Europium- oder Mangan-dotierte Leuchtstoffe sind dazu nicht in der Lage. Die Erfinder haben nun erkannt, dass durch die Verwendung der hier beschriebenen Cer-dotierten Leuchtstoffe bei hohen Leistungsdichten der anregenden Primärstrahlung hohe Leuchtdichten an konvertierter Strahlung generiert werden können.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird der Leuchtstoff in einer Laser Active Remote Phosphor Anwendung (LARP) verwendet. LARP ist dem Fachmann hinreichend bekannt und wird daher an dieser Stelle nicht näher erläutert.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Leuchtstoff eine Stokes-Verschiebung von mindestens 150 nm auf.
Im Vergleich zu gängigen Leuchtstoffen wie dem YAG:Ce – Leuchtstoff weist dieser hier beschriebene Leuchtstoff eine hohe Rot-Verschiebung und eine hohe Stokes-Verschiebung auf. Die Rot-Verschiebung stellt einen signifikanten Vorteil gegenüber z. B. gelbgrün emittierenden Granat-Leuchtstoffen wie Y₃Al₅O₁₂ oder Lu₃Al₅O₁₂ dar. Die hohe Stokes-Verschiebung ist gegenüber sämtlichen Granat-Leuchtstoffen mit hoher Rot-Verschiebung von Vorteil, wie beispielsweise CaLu₂Mg₂Si₃O₁₂. Der erfindungsgemäße Leuchtstoff ist der einzige den Erfindern bekannte Leuchtstoff, der beide diese Vorteile in sich vereint. Die Erfinder haben erkannt, dass sich durch die Verwendung des hier beschriebenen Cer-dotierten Leuchtstoffs als Wellenlängenkonversionsstoff ein effizienteres Bauelement verglichen mit anderen Rot emittierenden mit ähnlicher Stokes-Verschiebung Leuchtstoffen, wie Europium- oder Mangan-dotierten Leuchtstoffen, bereitgestellt werden kann, da Quenchingprobleme und andere Probleme, die aus der optischen Sättigung resultieren, vermindert werden.
Der hier beschriebene Leuchtstoff weist im Vergleich beispielsweise zu dem Vergleichsbeispiel CaLu₂Mg₂Si₃O₁₂ einige Vorteile auf. Im Vergleich zu dem Vergleichsbeispiel zeigt der hier beschriebene Leuchtstoff eine hohe Stokes-Verschiebung. Der Hauptunterschied zu dem Vergleichsbeispiel ist der Zusatz von Aluminium. Die Erfinder haben erkannt, dass durch das Einbringen von Aluminium in die Gitterplätze des Siliziums beziehungsweise Magnesiums eine Erhöhung der Stokes-Verschiebung erfolgen kann. Vorbekannte Aluminium enthaltende Granat-Leuchtstoffe weisen eine geringere Stokes-Verschiebung auf. Der hier beschriebene Leuchtstoff zeigt eine hohe Stokes-Verschiebung von mehr als 150 nm. Zum anderen zeigt der hier beschriebene Leuchtstoff eine hohe Absorptionseffizienz bei 460 nm verglichen mit dem Vergleichsbeispiel, der ungefähr bei 475 nm ein Absorptionsmaximum aufweist. In optoelektronischen Bauelementen, die vorzugsweise im blauen Spektralbereich, besonders im Wellenlängenbereich von 440 bis 460 nm emittieren, kann durch die Verwendung des hier beschriebenen Leuchtstoffs eine optimale Anregung dieses Leuchtstoffs erfolgen. Im Vergleich zu dem Vergleichsbeispiel wird daher bei dem hier beschriebenen Leuchtstoff mehr von dem Halbleiterchip emittierten Strahlung absorbiert. Dies resultiert in einer höheren Effizienz im Vergleich zu dem Vergleichsbeispiel.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines Leuchtstoffs. Vorzugsweise wird mit dem hier beschriebenen Verfahren der oben beschriebene Leuchtstoff hergestellt. Dabei gelten alle Ausführungen für den Leuchtstoff auch für das Verfahren und umgekehrt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Verfahren zur Herstellung eines Leuchtstoffs mit der Formel (RE_aCa_1-a-bCe_b)₃(Mg_1-cAl_c)₂(Al_dSi_1-d)₃O₁₂, wobei RE zumindest ein Element der seltenen Erden, 0 ≤ a ≤ 1, b > 0, a + b ≤ 1, 0 ≤ c ≤ 1, 0 ≤ d ≤ 1 und c + d > 0 ist, die Schritte auf:

A) Vermengen der Ausgangsstoffe aus Vorläuferverbindungen z. B., aber nicht ausschließlich Carbonaten, Oxalaten, Oxiden, Hydroxiden oder Nitraten der in der Formel genannten Elemente,
B) Aufheizen des unter A) erhaltenen Gemenges auf eine Temperatur von über 1200 °C,
C) Glühen des Gemenges bei einer Temperatur von über 1200 °C unter reduzierender Atmosphäre,
D) Abkühlen des Gemenges.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Anteil der Ausgangsstoffe bezogen auf die Gesamtmenge des Gemenges die folgenden Zusammensetzungen auf:
RE₂O₃ zwischen einschließlich 46% und einschließlich 48%, Al₂O₃ zwischen einschließlich 7% und einschließlich 9%, SiO₂ zwischen einschließlich 23% und einschließlich 25%, MgO zwischen einschließlich 8% und einschließlich 10%, CeO₂ zwischen einschließlich 0,8% und einschließlich 1,8%, CaO zwischen einschließlich 8% und einschließlich 10% ist, und wobei die Gesamtmenge in der Summe 100% ist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist RE₂O₃ eine Mischung aus Y₂O₃ und Lu₂O₃, wobei der Anteil an Y₂O₃ zwischen einschließlich 14% und einschließlich 16% und der Anteil an Lu₂O₃ zwischen einschließlich 31% und einschließlich 33% ist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform erfolgt das Verfahren als Festkörperreaktion oder Sol-Gel-Verfahren.
Die Erfinder haben herausgefunden, dass durch Mischen der Ausgangssubstanzen mit den entsprechenden Anteilen der Elemente ein Leuchtstoff bereitgestellt werden kann, der Rot emittiert und eine hohe Effizienz und Emissionsstabilität aufweist. Insbesondere werden als Ausgangsstoffe Oxide wie RE₂O₃, CeO₂, MgO, CaO, SiO₂, Carbonate, wie MgCO3, Hydroxide wie Ca(OH)₂ oder Nitrate wie RE(NO₃)₃ vermengt. Die hier beschriebenen Ausgangsstoffe sind Beispiele und sollen nicht einschränkend sein. Anschließend können die Ausgangsstoffe geglüht werden. Das Glühen kann bei einer Temperatur von größer als 1200 °C erfolgen. Vorzugsweise erfolgt das Glühen im Verfahrensschritt C bei einer Temperatur zwischen einschließlich 1200 C° bis 2000 C°. Vorzugsweise wird das Glühen bei einer Temperatur von oder über 1300 C° durchgeführt.
Das Glühen kann unter reduzierender Atmosphäre erfolgen. Unter reduzierender Atmosphäre kann beispielsweise eine inerte oder eine reduzierende Atmosphäre verstanden werden. Eine reduzierende Atmosphäre schließt nicht aus, dass in dieser reduzierenden Atmosphäre Sauerstoff vorhanden ist. Beispielsweise kann die reduzierende Atmosphäre eine Stickstoff- oder eine Edelgasatmosphäre, wie beispielsweise eine Argon-Atmosphäre, sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform kann der Verfahrensschritt C mindestens einmal durchgeführt werden. Insbesondere kann das Glühen auch ein bis fünf Mal, insbesondere ein bis drei Mal, beispielsweise zwei Mal durchgeführt werden. Mehrfaches Glühen der Ausgangssubstanzen mit oder ohne zwischengeschalteten Nachbearbeitungsprozess wie z. B. Mahlen und/oder Sieben kann die Kristallinität oder Korngrößenverteilung des Leuchtstoffs weiter verbessern. Weitere Vorteile können eine niedrigere Defektdichte verbunden mit verbesserten optischen Eigenschaften des resultierenden Leuchtstoffs und/oder eine höhere Stabilität des resultierenden Leuchtstoffs sein.
Gelegentlich können gemäß einer Ausführungsform auch kurze Temperschritte an Luft bei niedriger Temperatur beispielsweise kleiner 600 C° durchgeführt werden. Das Glühen kann in einem Tiegel beispielsweise aus Wolfram, Korund, Platin oder Graphit erfolgen. Dabei kann der Tiegel eine Auskleidung beispielsweise aus Molybdän oder eine Auskleidung aus Saphir aufweisen. Das Glühen kann in einem gasdichten Ofen unter reduzierender Atmosphäre und/oder Inertgas wie z. B. in Wasserstoff, Ammoniak, Argon, Stickstoff oder Mischungen daraus erfolgen. Die Atmosphäre kann fließend oder stationär sein. Es kann zudem von Vorteil für die Qualität des resultierenden Leuchtstoffs sein, wenn elementarer Kohlenstoff in fein verteilter Form im Ofenraum anwesend ist. Alternativ ist es möglich, Kohlenstoff direkt in die Mischung der Ausgangssubstanzen zu geben.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform erfolgen die hier beschriebenen Verfahrensschritte A bis D in der hier genannten Reihenfolge.
Nach dem Glühen kann der Leuchtstoff abgekühlt werden. Anschließend kann der Leuchtstoff einer Nachbehandlung unterworfen werden. Die Isolierung des Leuchtstoffs kann durch Waschen in Lauge und/oder durch Säure erfolgen. Die Säure kann beispielsweise aus einer Gruppe ausgewählt sein, die Salzsäure, Schwefelsäure, Salpetersäure, Flusssäure, organische Säuren und Mischungen daraus umfasst. Die Lauge kann aus einer Gruppe ausgewählt werden, die Kalilauge, Natronlauge und Mischungen daraus umfasst. Derartige Waschungen können die Effizienz erhöhen, wenn ein Leuchtstoff hergestellt wird. Des Weiteren können dadurch Nebenphasen, Glasphasen oder andere Verunreinigungen entfernt werden, sowie eine Verbesserung der optischen Eigenschaften des Leuchtstoffs erreicht werden. Der Leuchtstoff kann weiteren Fraktionier- und Klassierschritten, wie beispielsweise Siebung, Flotation oder Sedimentation, unterzogen werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird dem Verfahren ein Flussmittel oder Schmelzmittel hinzugesetzt. Bei dem Schmelzmittel kann es sich beispielsweise um Borsäure, Erdalkaliborate oder Fluoride, wie beispielsweise Kryolite, handeln. Die Schmelzmittel können das Kristallwachstum verbessern.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform erfolgt die Herstellung als Festkörperreaktion. Dabei werden die Ausgangssubstanzen eingewogen und gemischt. Das Mischen kann beispielsweise mit einer Kugelmühle, einer asymmetrischen Zentrifuge oder mit einem Taumelmischer erfolgen. Das Gemenge kann in einen Tiegel, beispielsweise aus Aluminiumoxid oder Platin, überführt werden und dann bei einer Temperatur von größer 1200 C° erhitzt werden. Dabei hängt die genaue Temperatur von den Ausgangsstoffen ab. Das Erhitzen kann für mehrere Stunden unter reduzierender Atmosphäre erfolgen. Das Produkt kann optional danach gemahlen werden. Die Aufheiz- und Glühschritte können beliebig wiederholt werden, um die Leuchtstoff-Qualität zu verbessern.
Alternativ kann der Leuchtstoff auch mittels Sol-Gel-Verfahren hergestellt werden. Dabei werden die entsprechenden Ausgangsstoffe eingewogen und in säurehaltiger Umgebung, beispielsweise Zitronensäure oder Salpetersäure, gelöst. Das Sol-Gel-Verfahren kann nach verschiedenen Schritten durchgeführt werden, wie es beispielsweise bei Yan et al, Trans Nonferrus Met Soc China 2008, 648 bis 653; Hemmer, Universität Saarland, 2009; Katelnikovas, Vilnius, Münster 2002; Ogieglo, University of Utrecht, 2012 beschrieben ist. Der Offenbarungsgehalt der Synthesen in diesen Dokumenten wird hiermit durch Rückbezug aufgenommen.
Zur Entfernung der Nebenphasen und zur Verbesserung der Leuchtstoff-Qualität können zusätzliche Waschschritte erfolgen. Beispielsweise können mehrere Waschungen mittels HCl (1–6 mol/l) für ein bis 12 Stunden erfolgen, um Nebenphasen wie Orthosilikate oder Silikatapatite herauszulösen. Anschließend kann ein Trocknen des Leuchtstoff-Pulvers erfolgen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform kann der hier beschriebene Leuchtstoff wie folgt hergestellt werden. Die Ausgangsstoffe werden mit folgendem Gewichtsanteil vermischt.

Ausgangsstoffe Masse

Y₂O₂ 7.626 g

Al₂O₃ 4.099 g

SiO₂ 12.078 g

MgO 4.861 g

CeO₂ 0.830 g

Lu₂O₃ 15.998 g

CaO 4.509 g
Das Mischen kann mit einer asymmetrischen Zentrifuge beispielsweise für drei Mal für 30 Sekunden bei 1.600 rpm erfolgen. Anschließend kann ein Mahlen in einer Mörsermühle für 10 Minuten und ein nochmaliges Mischen in einer asymmetrischen Zentrifuge (zwei Mal für 30 Sekunden bei 1.600 rpm) erfolgen. Das Gemenge kann dann in einem Korundtiegel mit einer Deckplatte überführt werden und in einen Ofen gestellt werden. Der Ofen kann eine reduzierende Atmosphäre aus 4 Prozent Wasserstoff in Stickstoff (4%iges Formiergas, 240 l/min) aufweisen. Das Gemenge kann auf 1.350 C° aufgeheizt werden und für vier Stunden bei dieser Temperatur geglüht werden. Nachdem das Gemenge abgekühlt ist, kann der Sinterkuchen in der Mörsermühle gemahlen und durch ein 45 µm Sieb gesiebt werden. Das Pulver kann mit Salzsäure gewaschen werden, um Nebenprodukte zu entfernen. Ungefähr 20 g Pulver können in 100 ml halbkonzentrierter Säure für eine Stunde gerührt werden. Das ungelöste, sedimentierte Leuchtstoffpulver von der Säure abdekantiert werden. Anschließend können 100 ml einer frischen Säure zum Leuchtstoff hinzugefügt werden. Der Leuchtstoff kann mit dieser Säure gemischt werden und setzt sich dann beispielsweise über Nacht ab. Die Säure wird abdekantiert und 100 ml deionisiertes Wasser hinzugegeben. Der Leuchtstoff wird mit dem Wasser gemischt und es wird zehn Minuten gewartet, bis dieser sedimentiert. Der Überstand kann dann abdekantiert werden. Der Leuchtstoff wird im Vakuum filtriert und mit deionisiertem Wasser gewaschen. Danach erfolgt eine Trocknung des Leuchtstoffs bei 50 C° für mindestens zwei Stunden.
Weitere Vorteile, vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen ergeben sich aus den im Folgenden in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Ausführungsbeispielen.
Es zeigt:
1A ein Röntgenbeugungspulverdiffraktogramm eines hier beschriebenen Leuchtstoffs,
2A die Kristallstruktur eines Ausführungsbeispiels,
2B kristallographische Daten eines hier beschriebenen Leuchtstoffs,
3 die Stokes-Verschiebung,
4A und 4B jeweils ein Emissionsspektrum von Ausführungsbeispielen und Vergleichsbeispielen,
5A und 5B Reflektivitätskurven gemäß einer Ausführungsform und eines Vergleichsbeispiels und
6A und 6B jeweils eine schematische Seitenansicht eines optoelektronischen Bauelements gemäß einer Ausführungsform.
In den Ausführungsbeispielen und Figuren können gleiche, gleichartige oder gleich wirkende Elemente jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen sein. Die dargestellten Elemente und deren Größenverhältnisse untereinander sind nicht als maßstabsgerecht anzusehen. Vielmehr können Einzelelemente wie z. B. Schichten, Bauteile, Bauelement und Bereiche zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt werden.
Die 1A zeigt ein Röntgenpulverdiffraktogramm des Leuchtstoffs (YLuCa_0,94Ce_0,06)(Mg_1,5Al_0,5)(Al_0,5Si_2,5)O₁₂, der hier und im Folgenden als Ausführungsbeispiel 1 bezeichnet wird. Es ist die relative Intensität I in willkürlichen Einheiten a.U. in Abhängigkeit von dem Beugungswinkel °2Θ unter Verwendung von Kupfer K_α1-Strahlung angegeben.
Die mit den Bezugszeichen I versehene Kurve zeigt ein gemessenes Röntgenbeugungspulverdiffraktogramm und entspricht dem Leuchtstoff des Ausführungsbeispiels 1. Das erhaltene Röntgenbeugungspulverdiffraktogramm I wurde mittels Rietveld-Analyse analysiert. Bei dem Rietveld-Verfahren wird die Kristallstruktur so lange variiert, bis das daraus berechnete Diffraktogramm bestmöglich mit dem gemessenen Diffraktogramm übereinstimmt. Als Basis für die Rietveld-Verfahren wurde die Struktur von Y₃Al₅O₁₂ verwendet. Das mit dem Bezugszeichen II versehene Diagramm entspricht dem berechneten Röntgenbeugungspulverdiffraktogramm für das Ausführungsbeispiel 1. Das mit dem Bezugszeichen III versehene Diagramm zeigt den Unterschied zwischen dem Röntgenbeugungspulverdiffraktogramm mit dem Bezugszeichen I und dem berechneten Diagramm mit dem Bezugszeichen II. Wie ersichtlich, ist die Übereinstimmung zwischen dem gemessenen Röntgenbeugungspulverdiffraktogramm mit dem Bezugszeichen I und dem berechneten Diagramm mit dem Bezugszeichen II sehr hoch. Für den Fachmann ist damit ersichtlich, dass die berechnete Struktur mit der vorliegenden Struktur übereinstimmt.
Die 2A zeigt die Kristallstruktur des Ausführungsbeispiels 1. Es sind die MgO₆-Oktaeder und SiO₄-Tetraeder dargestellt. Die Gitterplätze des Magnesiums der MgO₆-Oktaeder sind teilweise durch Aluminium ersetzt. Die Gitterplätze des Siliziums der SiO₄-Tetraeder sind teilweise durch Aluminium ersetzt. Die durch eine weiße Kugel markierte kristallographische Lage wird von Yttrium, Lutetium, Kalzium und Cer geteilt. Die Kristallstruktur ist kubisch. Die Raumgruppe ist Ia3d .
Die 2B zeigt die Daten der Rietveld-Verfeinerung und die wichtigsten kristallographischen Daten des Ausführungsbeispiels 1.
Dabei bedeuten in der 2B die Abkürzungen:

C: Kristallsystem, das kubisch ist (hier als cub abgekürzt).
S: Raumgruppe, L Gitterparameter in Angström,
V: Elementarzellvolumen in Angström³, F Anzahl an Formeleinheiten pro Elementarzelle, R verwendete Röntgenstrahlung, T die Temperatur in Kelvin, R_ex/R_p R erwartet/ R profil, wRp WRprofil. Als Profilfunktionen wurden Pseudo-Voigt-Funktionen und als Untergrundfunktion eine Polynomfunktion verwendet. Ferner zeigt die 2B die kristallographischen Lagen bezeichnet durch die Wykoff-Positionen, hier als W bezeichnet der entsprechenden Atome, die hier mit A bezeichnet sind und ihre Koordinaten in der Elementarzelle. Zusätzlich sind die wichtigsten interatomaren Abstände zwischen den Atomen dargestellt. Die Tabelle listet jeweils den Abstand zwischen einem ersten Atom (A1) und einem zweiten Atom (A2), d bezeichnet den Abstand und N die Anzahl an entsprechenden symmetrieäquivalenten Atomen A2, die sich um A1 im selben Abstand befinden.

Die 3 zeigt die Stokes-Verschiebung Δλ der Vergleichsbeispiele V1 bis V4 und des Ausführungsbeispiels A1. Das Ausführungsbeispiel A1 entspricht dem Ausführungsbeispiel 1 der 1A bis 2B. Als Vergleichsbeispiele wurden Y₃Al₅O₁₂:Ce, Lu₃Al₅O₁₂:Ce, CaLu₂Mg₂Si₃O₁₂:Ce, Gd₃Al₄GaO₁₂:Ce verwendet. Die ersten beiden Vergleichsbeispiele V1 und V2 sind kommerziell erhältlich. Die Vergleichsbeispiele V3 und V4 können mittels Festkörperreaktion hergestellt werden. Dabei können zweiwertige Oxide als Ausgangsstoffe verwendet werden, die in einem Ofen erhitzt und unter reduzierender Atmosphäre bei einer Temperatur von größer 1200 C° für zwei bis acht Stunden geglüht werden. λ_max bedeutet hier den Hauptpeak der blauen Absorptionswellenlänge und λ_cent bedeutet hier die Schwerpunktswellenlänge. Aus der Tabelle der 3 ist zu erkennen, dass das Ausführungsbeispiel A1 die größte Stokes-Verschiebung im Vergleich zu den Vergleichsbeispielen V1 bis V4, also eine Stokes-Verschiebung von größer als 150 nm, aufweist.
Die 4A und 4B zeigen jeweils ein Emissionsspektrum gemäß einer Ausführungsform und eines Vergleichsbeispiels. Es ist jeweils die relative Intensität I_r in Prozent in Abhängigkeit von der Wellenlänge λ in nm dargestellt. Die Kurve mit dem Bezugszeichen I ist das Vergleichsbeispiel Y₃Al₅O₁₂:Ce und die Kurve mit dem Bezugszeichen II ist das Ausführungsbeispiel 1. Im Vergleich zu dem üblichen YAG-Leuchtstoff zeigt der hier erfindungsgemäße Leuchtstoff eine starke Rot-Verschiebung.
Die 4B zeigt das Emissionsspektrum des Ausführungsbeispiels 1. Der Leuchtstoff wurde hier mit einer Anregungswellenlänge von 460 nm angeregt. Das Wellenlängenmaximum liegt hier bei größer als 575 nm.
Der hier beschriebene Leuchtstoff zeigt eine breite Emissionsbande mit einer Dominanzwellenlänge λ_dom von größer 575 nm und einer Schwerpunktswellenlänge λ_cent größer 600 nm mit einer Halbwertsbreite von größer als 125 nm. Der Leuchtstoff zeigt zwei Absorptionsmaxima λ1 und λ2 bei ungefähr 310 nm und ungefähr 460 nm. Insbesondere kann der hier beschriebene Leuchtstoff bei rund 460 nm absorbieren, was ideal für Konversions-LED-Anwendungen ist.
Die 5A und 5B zeigen eine Reflektivitätskurve eines Ausführungsbeispiels und/oder eines Vergleichsbeispiels. Es ist die Reflektivität R in Prozent in Abhängigkeit von der Wellenlänge λ in nm dargestellt. Das Bezugszeichen I zeigt das Vergleichsbeispiel CaLu₂Mg₂Si₃O₁₂, das Ausführungsbeispiel 1 ist mit dem Bezugszeichen II dargestellt. Aus den Reflektivitätskurven ist zu sehen, dass die Reflektivität für das Ausführungsbeispiel 1 ein Minimum bei 460 nm aufweist und damit hervorragend für Blau emittierende Konversions-LEDs eingesetzt werden kann. Im Vergleich dazu zeigt das Vergleichsbeispiel ein Reflektivitätsmaximum bei größeren Wellenlängen bei ca. 475 nm. Der optimale Bereich, der für Blau emittierende LEDs zur Verfügung gestellt werden sollte, ist hier der Bereich bei einer Wellenlänge von 440 nm bis 460 nm, was in 5B durch zwei senkrechte Striche markiert ist.
Die 6A und 6B zeigen jeweils eine schematische Seitenansicht eines optoelektronischen Bauelements gemäß einer Ausführungsform. Das Bauelement 100 umfasst ein Gehäuse 20 in Verbindung mit einem Trägersubstrat 15. Das Gehäuse kann eine Keramik oder einen hitze- oder strahlungsbeständigen Kunststoff umfassen. In einer Ausnehmung 25 des Gehäuses 20 ist ein Halbleiterchip 10 angeordnet, der im Betrieb des Bauelements Strahlung emittiert. Vorzugsweise emittiert der Halbleiterchip 10 Strahlung aus dem blauen Spektralbereich. Die Seiten der Ausnehmung 25 sind hier abgeschrägt und können ein reflektierendes Material umfassen. Der Halbleiterchip 10 kann über elektrisch leitende Anschlüsse 30, 31 und einem Bonddraht 32 bestromt werden.
Das Bauelement 100 weist ein Konversionselement 61 auf. Das Konversionselement 61 umfasst den hier beschriebenen Leuchtstoff 60. Das Konversionselement 61 ist direkt auf der Strahlungsaustrittsfläche des Halbleiterchips 10 angeordnet. In der Ausnehmung kann zusätzlich ein Verguss 50 eingebracht sein. Der Verguss 50 kann beispielsweise ein Silikon sein.
Der Verguss 50 kann das Gehäuse 20 überragen und zusätzlich als Linse 70 ausgeformt sein.
Das optoelektronische Bauelement 100 der 6B unterscheidet sich von dem Bauelement 100 der 6A dadurch, dass hier der Leuchtstoff 60 als Partikel ausgeformt ist und innerhalb der Ausnehmung 25 in dem Verguss 50 eingebettet ist. Die Einbettung des Leuchtstoffs 60 kann homogen oder inhomogen sein. Ferner kann der Leuchtstoff 60 auch mit einem Konzentrationsgradienten in dem Verguss 50 eingebettet sein. Der Leuchtstoff 60 kann auch als Keramik weiterverarbeitet sein. Der Halbleiterchip 10 ist in diesem Beispiel mit einem Verguss 50 vergossen, wobei der Verguss 50 wiederum optional eine Linse aufweisen kann.
Die in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Ausführungsbeispiele und deren Merkmale können gemäß weiterer Ausführungsbeispiele auch miteinander kombiniert werden, auch wenn solche Kombinationen nicht explizit in den Figuren gezeigt sind. Weiterhin können die in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Ausführungsbeispiele zusätzliche oder alternative 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

100: optoelektronisches Bauelement
10: Halbleiterchip
15: Trägersubstrat
20: Gehäuse
25: Ausnehmung
30: erster Anschluss
31: zweiter Anschluss
32: Bonddraht
50: Verguss
60: Leuchtstoffpartikel
61: Konversionselement
70: Linse

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 7094362 B2 [0003]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Setlur, A. A. et al., Chem. Mater. 2006, 18, 3314 bis 3322 [0003]
Kawano Y. et al., Optical Materials Express 2014, 4, 1770 [0003]
R. Le Toquin et al., Chemical Physics Letters 2006, 423, 352 bis 356 [0003]
Yan et al, Trans Nonferrus Met Soc China 2008, 648 bis 653 [0065]
Hemmer, Universität Saarland, 2009 [0065]
Katelnikovas, Vilnius, Münster 2002 [0065]
Ogieglo, University of Utrecht, 2012 [0065]

Claims

Leuchtstoff (1) mit der Formel (RE_aCa_1-a-bCe_b)₃(Mg_1-cAl_c)₂(Al_dSi_1-d)₃O₁₂, wobei RE zumindest ein Element der seltenen Erden, 0 ≤ a ≤ 1, b > 0, a + b ≤ 1, 0 ≤ c ≤ 1, 0 ≤ d ≤ 1 und c + d > 0 ist, wobei der Leuchtstoff ein kubisches Kristallsystem mit der Raumgruppe Ia3d aufweist.
Leuchtstoff (1) nach Anspruch 1, der dazu eingerichtet ist Strahlung aus dem roten Spektralbereich des elektromagnetischen Spektrums zu emittieren, wobei RE Y, Lu, Gd und/oder Tb ist, wobei gilt: 0 < a < 1, a + b < 1, 0 < c < 1, 0 < d < 1 und c + d > 0.
Leuchtstoff (1) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei Cer als Dotierstoff vorliegt und b zwischen 0,001 und 0,3 ist.
Leuchtstoff (1) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, der eine Stokes-Verschiebung von mindestens 150 nm aufweist.
Leuchtstoff (1) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, der die folgende Summenformel aufweist: (YLu_0.94CaCe_0,06)(Mg_1,5Al_0,5)(Al_0,5Si_2,5)O_12.
Leuchtstoff (1) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Gitterkonstante a einen Wert zwischen einschließlich 11,9 Å und einschließlich 12,1 Å aufweist.
Leuchtstoff (1) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, der ein Absorptionsmaximum zwischen 450 nm und 470 nm aufweist.
Leuchtstoff (1) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, der MgO₆-Oktaeder und SiO₄-Tetraeder aufweist, wobei zumindest die Gitterplätze des Mg teilweise durch Al oder die Gitterplätze des Si teilweise durch Al ersetzt sind.
Leuchtstoff (1) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, der eine Dominanzwellenlänge von größer als 575 nm aufweist.
Leuchtstoff (1) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, der eine Schwerpunktwellenlänge von größer als 600 nm mit einer Halbwertsbreite von größer als 125 nm aufweist.
Leuchtstoff (1) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei RE Y und/oder Lu ist.
Leuchtstoff (1) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei a = 0,64, b = 0,02, c = 0,25 und d = 0,1667 ist.
Verwendung eines Leuchtstoffs (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12 als Wellenlängenkonversionsstoff (2) in einem optoelektronischen Bauelement (100).
Verwendung nach Anspruch 13, wobei das optoelektronische Bauelement (100) eine Leuchtdiode ist.
Verfahren zur Herstellung eines Leuchtstoffs (1) mit der Formel (RE_aCa_1-a-bCe_b)₃(Mg_1-cAl_c)₂(Al_dSi_1-d)₃O₁₂, wobei RE zumindest ein Element der seltenen Erden, 0 ≤ a ≤ 1, b > 0, a + b ≤ 1, 0 ≤ c ≤ 1, 0 ≤ d ≤ 1 und c + d > 0 ist, mit den Schritten: A) Vermengen der Ausgangsstoffe aus Carbonaten, Oxalaten, Oxiden, Hydroxiden oder Nitraten der in der Formel genannten Elemente, B) Aufheizen des unter A) erhaltenen Gemenges auf eine Temperatur von über 1200 °C, C) Glühen des Gemenges bei einer Temperatur von über 1200 °C unter reduzierender Atmosphäre, D) Abkühlen des Gemenges.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei der Anteil der Ausgangsstoffe bezogen auf die Gesamtmenge des Gemenges wie folgt ist: RE₂O₃ zwischen einschließlich 46% und einschließlich 48%, Al₂O₃ zwischen einschließlich 7% und einschließlich 9%, SiO₂ zwischen einschließlich 23% und einschließlich 25%, MgO zwischen einschließlich 8% und einschließlich 10%, CeO₂ zwischen einschließlich 0,8% und einschließlich 1,8%, CaO zwischen einschließlich 8% und einschließlich 10% ist, und wobei die Gesamtmenge in der Summe 100% ist.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei RE₂O₃ eine Mischung aus Y₂O₃ und Lu₂O₃ ist, wobei der Anteil an Y₂O₃ zwischen einschließlich 14% und einschließlich 16% und der Anteil an Lu₂O₃ zwischen einschließlich 31% und einschließlich 33% ist.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 15 bis 17, das als Festkörperreaktion oder Sol-Gel-Verfahren erfolgt.