特開 2023-149254 光半導体装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023149254

(43)【公開日】2023-10-13

(54)【発明の名称】光半導体装置

(51)【国際特許分類】

   H01L 33/48 20100101AFI20231005BHJP

   G02B 5/28 20060101ALI20231005BHJP

【ＦＩ】

H01L33/48

G02B5/28

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022057729

(22)【出願日】2022-03-30

(71)【出願人】

【識別番号】000224798

【氏名又は名称】ＤＯＷＡホールディングス株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100147485

【弁理士】

【氏名又は名称】杉村 憲司

(74)【代理人】

【識別番号】230118913

【弁護士】

【氏名又は名称】杉村 光嗣

(74)【代理人】

【識別番号】100179903

【弁理士】

【氏名又は名称】福井 敏夫

(74)【代理人】

【識別番号】100213436

【弁理士】

【氏名又は名称】木下 直俊

(72)【発明者】

【氏名】宮下 雅仁

(72)【発明者】

【氏名】村瀬 健一

【テーマコード（参考）】

2H148

5F142

【Ｆターム（参考）】

2H148GA01

2H148GA04

2H148GA18

2H148GA30

2H148GA32

2H148GA51

2H148GA61

5F142AA22

5F142BA32

5F142CD13

5F142CD18

5F142CD32

5F142DB02

5F142DB20

5F142GA31

5F142HA01

(57)【要約】

【課題】特定波長より長波長側の光の出力の減衰を抑制しながら特定波長より短波長側の光を十分に低減することができる光半導体装置を提供する。
【解決手段】光半導体装置１００は、パッケージ基板１と、パッケージ基板１の上面に、光取り出し側の面である出射面２１が上面となるように配置された発光素子２と、パッケージ基板１との間に閉鎖空間Ｓを形成し、発光素子２を覆う透明蓋３と、発光素子２の上面側に配置され、特定波長の透過率が５０％であるフィルタ４と、を備え、フィルタ４は、上方に向けて凸形状とされており、頂部を形成する面が上面視において出射面２１の中央部を含む。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

パッケージ基板と、
前記パッケージ基板の上面に、光取り出し側の面である出射面が上面となるように配置された発光素子と、
前記パッケージ基板との間に閉鎖空間を形成し、前記発光素子を覆う透明蓋と、
前記透明蓋の表面に、特定波長の透過率が５０％である光干渉方式のフィルタと、を備え、
前記フィルタは、
上方に向けて凸形状とされており、
前記凸形状の頂部を形成する面が上下方向視において前記出射面の中央部を含む光半導体装置。

【請求項2】

前記フィルタは、側面視において、前記凸形状の頂部を形成する面が前記出射面と平行な平坦部となっている請求項１に記載の光半導体装置。

【請求項3】

前記フィルタは、側面視において、多角形状の一部、又は、前記頂部を形成する面以外が曲線を持つ形状である請求項１又は２に記載の光半導体装置。

【請求項4】

前記フィルタの側面視において、前記出射面の外周から前記頂部を形成する面に向かう垂線に対して、前記出射面の直上からの離れる方向に斜めに向かう光線の傾斜角度をθとしたときに、前記頂部以外の面が０°＜θ≦９０°の範囲のいずれかの傾斜角度を法線とする面である、請求項１から３の何れか一項に記載の光半導体装置。

【請求項5】

前記特定波長は、波長が２８０ｎｍ以上３２０ｎｍ以下である請求項１から４の何れか一項に記載の光半導体装置。

【請求項6】

前記発光素子は、発光中心波長が３００ｎｍ以上３５０ｎｍ以下の紫外ＬＥＤであり、
前記特定波長が前記発光素子の発光中心波長より３ｎｍ以上１０ｎｍ以下短い波長である請求項１から５の何れか一項に記載の光半導体装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、光半導体装置に関する。

【背景技術】

【0002】

人体に照射して種々の治療を行う紫外線として、３００～３４０ｎｍの波長の光源が使用される場合がある。従来、それらの光源としては水銀ランプやエキシマライトなどが使用されてきた。

【0003】

近年、３００～３４０ｎｍの波長の光源としての水銀ランプやエキシマライトを紫外ＬＥＤへの置き換えたいという要望が高まっている。

【0004】

特許文献１には、光半導体チップをパッケージに封入してなる光半導体素子としての紫外線発光素子が記載されている。この紫外線発光素子は、金属ベース(パッケージ)上に載置された紫外線発光チップと、金属ベースに接合されていると共に紫外線発光チップの側方を囲むように配置された略円筒状の金属キャップ(パッケージ)と、金属キャップの開口を封止するガラス窓(パッケージ)と、絶縁材によって絶縁されつつ金属ベースを貫通し、かつ導電性ワイヤを介して紫外線発光チップと接続されたリードとにより構成されている。ガラス窓の外面には、二酸化ケイ素などの低屈折率膜と、二酸化ハフニウムなどの高屈折率膜とを組み合わせて積層し、可視光線および赤外線をカットして紫外線のみを透過させるように構成された、光学機能性膜としての紫外線透過フィルタ膜が、真空蒸着法によって形成されている。紫外線発光チップから発光した光は、この紫外線透過フィルタ膜を通過することによって、可視光線及び赤外線がカットされて外部に出光する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２００７－１５８００６

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

水銀ランプやエキシマライトの発光スペクトルに比べると、紫外ＬＥＤの発光スペクトルの半値幅は広い。例えば、紫外ＬＥＤの最大強度の波長であるピーク波長を３０８ｎｍとした場合、エキシマライト（波長３０８ｎｍ、ＸｅＣｌ）における３００ｎｍ未満の発光強度がピーク波長の発光強度の約１０％であるのに対し、紫外ＬＥＤでは、３００ｎｍ未満の発光強度がピーク波長の発光強度の約３０％といった具合に、３００ｎｍ未満の発光強度がエキシマライトよりも強くなる傾向にある。３００ｎｍ未満の光は人体に悪影響が生じる場合があるため、紫外ＬＥＤへの置き換えにおいては、３００ｎｍ未満の短い波長域をカットする必要がある。

【0007】

また、水銀ランプやエキシマライトは、形状が直管状などであって線光源であり、その直管の表面に対し均一に垂直方向の光が放射される構造であるため、特定波長以下の波長をカットするには、単一の光カットフィルタを直管からの光放射方向に対して配置すればよかった。しかし、ＬＥＤチップは点光源であり、ＬＥＤチップから出る光の方向は全方位である。そのため、ＬＥＤチップを内蔵するＳＭＤなどの出射面が平坦な光半導体装置の配光は広く、垂直方向から±６０°程度の角度範囲にわたり光が放射される場合がある。

【0008】

特定波長以下の波長をカットするフィルタ、すなわちハイパスフィルタとしては、単膜あるいは多層膜として構成される誘電体薄膜などを用いた光干渉性を利用するフィルタや、光干渉性を利用するものとは異なり、材料に起因する吸収現象などを利用するフィルタがある。光干渉性を利用するフィルタ（以下、光干渉フィルタと称する場合がある）は透過率が９０％となる波長と透過率が１０％となる波長の波長差を小さくすることができるため、ＬＥＤチップの波長プロファイルにおける特定波長よりも短波長側をカットしつつ、特定波長よりも長波長側の光出力を高くしたい場合に有効である。しかし、光干渉フィルタは、フィルタへの光の入射角度によってフィルタ内での光路長が変わるため、観測角度（入射角度）によっては特定波長以下の波長を有効にカットできないという問題がある。

【0009】

そのため、例えばＬＥＤチップのような点光源を内蔵した光半導体装置において、特定波長より長波長側の光の出力の減衰を抑制しながら特定波長より短波長側の光を十分に低減することができる光半導体装置の提供が望まれる。

【0010】

本発明は、かかる実状に鑑みて為されたものであって、その目的は、特定波長より長波長側の光の出力の減衰を抑制しながら特定波長より短波長側の光を十分に低減することができる光半導体装置を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0011】

上記目的を達成するための本発明に係る光半導体装置は、
パッケージ基板と、
前記パッケージ基板の上面に、光取り出し側の面である出射面が上面となるように配置された発光素子と、
前記パッケージ基板との間に閉鎖空間を形成し、前記発光素子を覆う透明蓋と、
前記透明蓋の表面に、特定波長の透過率が５０％である光干渉方式のフィルタと、を備え、
前記フィルタは、
上方に向けて凸形状とされており、
前記凸形状の頂部を形成する面が上下方向視において前記出射面の中央部を含む。

【発明の効果】

【0012】

特定波長より長波長側の光の出力の減衰を抑制しながら特定波長より短波長側の光を十分に低減することができる光半導体装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1A】第一実施形態に係る光半導体装置の上面図である。

【図1B】第一実施形態に係る光半導体装置の上面図の変形例である。

【図2】第一実施形態に係る光半導体装置の断面図である。

【図3】フィルタの透過スペクトルの一例を示すグラフである。

【図4A】実施例における発光スペクトルを示す図である。

【図4B】実施例におけるλ１より長波長の配光分布特性である。

【図4C】実施例におけるλ１以下の波長の配光分布特性である。

【図5A】比較例における発光スペクトルを示す図である。

【図5B】比較例におけるλ１より長波長の配光分布特性である。

【図5C】比較例におけるλ１以下の波長の配光分布特性である。

【図6】配光分布特性の測定方法の説明図である。

【図7】第二実施形態に係る光半導体装置の断面図である。

【図8】第二実施形態の変形例に係る光半導体装置の断面図である。

【図9】第三実施形態に係る光半導体装置の断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

図面に基づいて、本発明の実施形態に係る光半導体装置について説明する。

【0015】

（第一実施形態）
（概要の説明）
図１Ａ、図１Ｂには、本実施形態に係る光半導体装置１００の上面図を示している。図２には、光半導体装置１００の断面（図１ＡのＩＩ－ＩＩ矢視断面）を示している。

【0016】

以下では、図２における、光半導体装置１００において、パッケージ基板１から見て透明蓋３の側を上、透明蓋３から見てパッケージ基板１の側を下と称し、上側の面を上面、下側の面を下面と称し、図２以降の図及び他の実施形態でもこれを基準に説明を行う。例えば、透明蓋３の発光素子側の面を蓋下面３２と称し、透明蓋３の発光素子側と反対の面を蓋上面３１と称す。また、透明蓋３の表面とは透明蓋３の蓋上面３１および蓋下面３２の両面またはいずれかの面をいう。

【0017】

本実施形態における上下方向視とは、透明蓋３を透明蓋３の中央部Ｐの厚み方向に俯瞰する場合であって、蓋上面３１を上から見る視点（上面視とする）と、蓋下面３２を下から見る視点（下面視とする）の両方であることを意味する。なお、本実施形態で「外側」とは中央部Ｐから離れる側をいい、「内側」とは中央部Ｐ側をいう。同様に「外周」とは中央部Ｐから遠い側の端部をいい、「内周」とは中央部Ｐ側の端部をいう。

【0018】

まず、光半導体装置１００の概要を説明する。光半導体装置１００は、図２に示すように、パッケージ基板１と、パッケージ基板１の上面に、光取り出し側の面である出射面２１が上面となるように配置された発光素子２と、パッケージ基板１との間に閉鎖空間Ｓを形成し、発光素子２を覆う透明蓋３（図１Ａ、図１Ｂ、図２参照）と、透明蓋３の表面に配置され特定波長であるλ１の透過率が５０％である光干渉方式のフィルタ４と、を備えている。当該フィルタ４はハイパスフィルタである。

【0019】

フィルタ４は、出射面２１の上方に向けて凸形状とされており、頂部を形成する面（図１Ａにおける平坦部４ａ）が上下方向視において出射面２１の中央部Ｐを含む。より好ましくは、頂部を形成する面が上下方向視において出射面２１を含む。

【0020】

本実施形態における側面視とは、図１ＡのＩＩ－ＩＩ矢視断面である図２のように、発光素子の中央部Ｐを通り出射面２１の一辺に対して水平に切断した断面を、当該断面の垂線方向から見る視点とする。

【0021】

フィルタ４は、透明蓋３の形状に応じて、出射面２１から上方に向けて凸形状となるように形成されることが好ましい。凸形状は出射面２１の上方に向けて順次窄んでおり、側面視において、凸形状の頂部を形成する面が出射面２１と平行な平坦部となっていることが好ましい。

【0022】

凸形状は側面視の断面形状が、多角形状の一部、または、頂部を形成する面以外が曲線を持つ形状であり、例えば、台形、半楕円（半円を含む）が外接する多角形状、頂部に平坦部を有する半楕円とされてよい。特に、側面視における頂部に平坦部を有する半楕円は、出射面２１からの距離が一定となる形状を有することも好ましい。

【0023】

また、図２に示すように、フィルタ４は、側面視において、出射面２１の外周から透明蓋３に向かう垂線に対して、出射面２１の直上から離れる方向に斜めに向かう光線の角度を傾斜角度θとしたときに、頂部以外の面（図２においては傾斜部４及び傾斜部４ｃ）が0°＜θ≦９０°の範囲のいずれかの傾斜角度を法線とする面に形成されることが好ましい。

【0024】

本実施形態においてフィルタ４は、透明蓋３の蓋上面３１の表面に沿わせるようにして透明蓋３上に配設される。すなわち本実施形態においてフィルタ４は、蓋上面３１の表面の形状に沿った形状とされる。

【0025】

光半導体装置１００では、発光素子２の出射面２１から出射した光を透明蓋３を介して外部に放射する。この際、出射面２１から出射した光はフィルタ４を通過し、λ１より短波長側の光がカットされる。

【0026】

光半導体装置１００は、特定波長としてのλ１より長波長側の光の出力の減衰を抑制しながらλ１より短波長側の光をカットすることができる。

【0027】

（各部の説明）
以下、光半導体装置１００の各部について詳細を説明する。図２に示すように、光半導体装置１００は、上述のごとく、パッケージ基板１と、発光素子２と、透明蓋３と、透明蓋３の表面に配置された光干渉方式のフィルタ４とを備えている。光半導体装置１００は、図２に示すように、一例として図１ＡのＩＩ－ＩＩ矢視断面が左右対称である。その他、光半導体装置１００は、図示しない電極などを備えている。

【0028】

図２に示すように、出射面２１の外周を起点に出射面の真上から離れる方向に斜めに放射された光線の光路の、出射面２１の外周から透明蓋３に向かう垂線に対する角度を傾斜角度θとする。図２では、傾斜角度θが０°、１０°、２０°、３０°、４０°、５０°に対応する放射された光の仮想線をそれぞれθ₀、θ_１０、θ_２０、θ_３０、θ_４０、θ_５０、の符号で示している。

【0029】

図２に示す発光素子２は、例えばＬＥＤチップである。ＬＥＤチップは、要求される波長域に応じて選択すればよい。発光素子２は、好ましくは紫外ＬＥＤでる。発光素子２は、例えば３００ｎｍ以上３５０ｎｍ以下の間に発光中心波長を有し、発光中心波長が３１０ｎｍである場合を例に説明を行う。発光素子２の出射面２１は平面状に形成されている。上面視における出射面２１の形状は、光半導体装置１００の用途、機能又は製造上の都合に応じて、四角形や長方形や多角形や円形など、任意の形状を選択可能である。本実施形態では、一例として、発光素子２が上面視で正方形である場合を示している（図１Ａおよび図１Ｂ参照）。

【0030】

図２に示すように、パッケージ基板１は、発光素子２を載置して固定する座となる部分である。パッケージ基板１は、発光素子２をマウントするために適したものであれば良いが、特に、放熱性を有していることが好ましい。パッケージ基板１の形成に適した材料としては、ＡｌＮやＡｌ－ＳｉＣ、Ｍｇ－ＳｉＣなどのセラミックス、Ａｌ、Ｍｏ、Ｃｕ、Ｃｕ－Ｗ、Ｃｕ－Ｍｏ、コバールなどの金属が例示される。パッケージ基板１を形成する材料は、好ましくはＡｌＮ焼成体である。

【0031】

パッケージ基板１は、例えば平板状や凹部を有する形状に形成されてよい。図２では、パッケージ基板１が、凹部を有する形状の一例として有底筒状に形成されて、その断面が角張ったＵ字状形状である場合を示している。パッケージ基板１の筒内部の底面１１（パッケージ基板１の上面）は、平面状に形成されている。底面１１上には、発光素子２が、光取り出し側の面である出射面２１が上面となるように載置されている。パッケージ基板１の筒部１３の上端部には、後述する透明蓋３が載置されている。

【0032】

透明蓋３は、発光素子２の光を透過する材料で形成されている。透明蓋３の形成に用いられる材料の一例は、ガラス（ソーダ石灰ガラス）、石英及びサファイアなどの金属酸化物結晶である。透明蓋３は、好ましくは、合成石英(屈折率：１．４９)、溶融石英(屈折率：１．４９)、サファイア（屈折率：１．８０）である。

【0033】

透明蓋３は、上方に向けて凸形状に形成されており、凸部の頂部を形成する面が上下方向視において出射面２１の中央部Ｐを含む。そして、側面視において、凸形状の頂部を形成する面が出射面２１と平行な平坦部となっている。例えば、本実施形態では、蓋上面３１と蓋下面３２の両方が法線方向が異なる平坦面を組み合わせて上方に向けて凸形状に形成される。後述する他の実施形態に示すように蓋上面３１と蓋下面３２のいずれか一方が上方に向けて凸形状に形成されている凸部分を有するようにしても良い。凸形状は上方に向けて順次窄んで行く形状をしている。透明蓋３の凸部分の形状は、側面視の断面形状が、例えば、台形、半楕円が外接する多角形状、頂部に平坦部を有する半楕円とされてよい。透明蓋３は、側面視において、出射面２１の外周から透明蓋３に向かう垂線に対して、出射面２１の直上から離れる方向に斜めに向かう光線の角度を傾斜角度θとしたときに、頂部以外の面（図２においては傾斜部３１ｂおよび３１ｃ、傾斜部３２ｂおよび３２ｃ）が0°＜θ≦９０°の範囲のいずれかの傾斜角度を法線とする面に形成されることが好ましい。

【0034】

透明蓋３の凸部分の形状は、凸多面体形状の一部であってよい。上方に向けて順次窄んで行く形状を有するため、透明蓋３の凸部分が有する傾斜の山折り線となる位置が、中央部Ｐに近づくに従い上方に向かう形状となる。なお、凸多面体とは、いわゆる多面体のうち、全ての辺（稜）における二面角（隣接する２つの面で作られる角度）が１８０°未満であり、かつ自己交差を持たないもののことを言う。具体的には、正多面体、半正多面体、カタランの立体、ジョンソンの立体、デルタ多面体、ゾーン多面体、切稜立方体であり、角柱、反角柱および星型正多面体はこれに含まれない。また、頂部の平坦面が六角形で、六角形の辺に長方形の傾斜面があり、六角形の頂点を起点とする三角形の傾斜面を有するような多面体のように、面方位の異なる複数の面（等価な面を含む）から構成される多面体も含む。

【0035】

図２では、透明蓋３として、蓋上面３１が凸形状の頂部として平坦面を有する場合を示している。側面視において、上平面部３１ａが出射面２１と平行となっている。側面視において、底面部３２ａも出射面２１と平行となっている。

【0036】

図１Ａの場合の蓋上面３１の形状の一例として、側面視の断面形状が多角形状の一部であり、出射面２１と平行に平面状の頂部となる上平面部３１ａを形成された形状とされている場合を示している。図１Ｂは、図１Ａにおいて山折りとなる角部を、上下方向視において同一平面に出射面２１を投影したときの出射面２１からの距離と等しい長さの曲率半径をもつようにした場合を示している。なお、図１Ａ、図１Ｂ、図２では、上平面部３１ａの外側に位置する斜面を傾斜面部３１ｂおよび傾斜面部３１ｃとして示している。

【0037】

透明蓋３は、パッケージ基板１との間に閉鎖空間Ｓを形成し、発光素子２を上方から覆うように配置される。透明蓋３は、上下方向視で上平面部３１ａが出射面２１の少なくとも中央部Ｐを含み、好ましくは上平面部３１ａが出射面２１を内包している。図２では上面視で上平面部３１ａが発光素子２の出射面２１を完全に覆うように配置される。すなわち、上面視における透明蓋３の発光素子２と重複する領域には、平面状、且つ、発光素子２の出射面２１と平行とされる上平面部３１ａが位置する。発光素子２は、上下方向視でパッケージ基板１の底面１１と透明蓋３との間に位置する状態で、閉鎖空間Ｓに封入される。

【0038】

パッケージ基板１の形状は、凹部を有する形状であっても板状であってもよい。パッケージ基板１の形状と、本実施形態および他の実施形態に図示する透明蓋３の形状とは、少なくとも一方が凹部を有し閉鎖空間Ｓを形成することが出来る形状とすればよい。

【0039】

後述するように、透明蓋３の表面にはフィルタ４が配置されるが、透明蓋３の表面の表面粗さはフィルタ４を配置するのに差し支えない範囲であれば任意である。本実施形態では、後述するように、透明蓋３の上面、すなわち、蓋上面３１の表面上にフィルタ４が載置されて固定される。

【0040】

透明蓋３は、例えば接着層９を介してパッケージ基板１に接合される。接着層９は、接合材により形成されてよい。接合材の選択や接着層９の形成方法は任意であるが、例えば、パッケージ基板１や透明蓋３の接合すべき部分にそれぞれ金属層を形成した後に、これら金属層同士を圧着してもよいし、各種の半田や、樹脂系の接着剤を使用してもよい。接着層９は、好ましくは、ＡｕＳｎ半田である。

【0041】

フィルタ４は、光干渉性を利用した光カットフィルタである。フィルタ４は、透明蓋３の表面の全領域に配置されるのが好ましい。フィルタ４は、平坦部４ａと、一つ以上の傾斜部（例えば傾斜部４ｂ、傾斜部４ｃ）とを含む。

【0042】

フィルタ４は、屈折率が異なる２種以上の誘電体層の積層体である。フィルタ４において、屈折率が異なる２種以上の層を繰り返して積層することが好ましく、繰り返し数としては３ペア以上１００ペア以下の範囲とすることが好ましい。この範囲であれば、ペア数が多いほど、或いは屈折率差が大きいほど、特定波長としてのλ１近傍における透過率の急峻性を良好にすることができる。本実施形態におけるフィルタ４は、図３に示すように、所定の入射角（例えば０°）における所定の波長以下（短波長側）の透過率を５０％以下とするハイパスフィルタである。なお、図３には、本実施形態で例示するフィルタ４の、入射角が０°以上６０°以下の範囲における５°毎の透過率の波長依存性（透過スペクトル）の一例を示している。図３において、縦軸の「フィルタ透過率」は、フィルタ４の光の透過率である。図３に示すフィルタ４の透過スペクトルは、分光光度計（例えば、日本分光(株)製Ｖ－６５０）を用いて測定することができる。この測定に当たっては、光干渉フィルタを透明蓋３上に形成して、又はこれに代えて、石英ガラス基板もしくはサファイア基板上に形成して測定してよい。

【0043】

フィルタ４が２種の層である場合、第一の層の材料としては、例えばＳｉＯ_２（屈折率：１．４６）が選択される。第二の層の材料としては、例えばＴｉＯ_２（屈折率：２．２６）、ＨｆＯ_２（屈折率：１．９５）、Ｓｃ_２Ｏ_３（屈折率：１．９６）が選択される。フィルタ４が３種の層である場合、第三の層の材料として例えばＡｌ_２Ｏ３（ｎ＝１．７１）やＭｇＯ（ｎ＝１．７４）を選択しても良い。４種以上からなる場合、例示した材料から適宜選択すれば良い。

【0044】

フィルタ４は、使用する層の材料、各層の厚さ及びペア数を設定することよって、その特性、すなわち透過スペクトルを決定することができる。本実施形態では、以下、フィルタ４がＳｉＯ_２の層とＴｉＯ_２の層を有する場合を例示して説明する。フィルタ４の透過スペクトルの一例を示している図３の光干渉フィルタにおける各層の屈折率及び膜厚のデータを表１に示す。ＳｉＯ２膜、ＴｉＯ２膜はスパッタリング法によって各膜厚となるように成膜し、フォトリソグラフィおよびリフトオフ法を用いて所定範囲に形成することができる。

【0045】

【表1】

【0046】

以下の説明では、特定波長としてのλ１が３０５ｎｍである場合を例示して説明する。フィルタ４は、一例として、入射角０度で透過率５０％となる波長λ１が３０５ｎｍであり、λ１以下（短波長側）の透過率が５０％以下である。なお、λ１は、発光素子２の発光中心波長（本実施形態では、一例として３１０ｎｍの場合を説明）と、カットしたい波長域の中での最大波長（例えば３００ｎｍ）との間の範囲内（例えば３００ｎｍ以上３１０ｎｍ以下）において、カットしたい波長域の光出力を低減できるように設定したものである。発光素子２が、発光中心波長が３００ｎｍ以上３５０ｎｍ以下の紫外ＬＥＤである場合、その波長プロファイルにおける半値幅は、発光中心波長の短波長側で４～８ｎｍ程度あることから、λ１は、当該発光中心波長より３～１０ｎｍ短い波長であることが好ましい。例えば、λ１は、２８０ｎｍ以上３２０ｎｍ以下の紫外線領域の波長とされる。

【0047】

以下では、ハイパスフィルタであるフィルタ４において、透過率５０％となる波長が特定波長λ１となる入射角を最適角αと称する。以下、フィルタ４として図３に示すようなフィルタ透過率の角度依存性を有するフィルタを使用する場合について説明する。図３では、特定波長としてのλ１が３０５ｎｍにおける透過率が５０％となる角度が０°であり、最適角α＝０°である。すなわち、図２に示すフィルタ４では、入射角が最適角αと等しくなる０°から大きくなるにつれて、透過率が５０％以下となる波長域が短波長側にシフトする。フィルタ４の最適角αの好ましい範囲は、０°≦α≦２０°であり、０°≦α≦５°とすることがより好ましい。

【0048】

図３に示す透過率特性を有する光干渉フィルタを、例えば透明蓋３の蓋上面３１がすべて出射面２１と水平である場合を考える。出射面２１の外周からの傾斜角度θが大きくなるにつれて、透明蓋３の蓋上面３１に設けられたフィルタへの入射角が大きくなるため、λ１以下の波長帯の光を効果的にカットすることができず、λ１以下の波長帯の光が光半導体装置１００の外へ放射されてしまう。最適角以上の角度θの範囲では、フィルタ４の平坦部４ａがλ１より短い波長をカットする効率は下がる。例えば、入射角１５°ではカットしたい波長域の中での最大波長（例えば３００ｎｍ）の透過率は１０％未満であるが、入射角２０°ではカットしたい波長域の中での最大波長（例えば３００ｎｍ）の透過率は５０％を超え、入射角２５°ではカットしたい波長域の中での最大波長（例えば３００ｎｍ）の透過率は９０％を超える。

【0049】

そこで、図２に示すように、本実施形態においてフィルタ４は、側面視において出射面２１に対して平行な平坦部４ａと、出射面２１の法線に対して傾斜した法線を有する傾斜部４ｂとを有する。図２では、フィルタの平坦部４ａは上下方向視における出射面２１の全面を包む。フィルタの平坦部４ａは傾斜角度θ＝０°を法線θ_aとしている。傾斜部は一つ以上あればよく、平坦部４ａから離れるにしたがって出射面２１の法線に対して大きく傾斜した法線を有しており、平坦部４ａに近いものから４ｂ、４ｃ、４ｄのように称することができ、傾斜部はＮ個（Ｎは自然数）あるとする。凸形状におけるフィルタ４の側面視の断面形状を台形とするか多角形状とするか頂部を形成する面以外が曲線を持つ形状とするかは、当該Ｎ数を任意に増やすことで得ることができる。本実施形態では、フィルタ４の平坦部４ａは、透明蓋３の蓋上面３１の上平面部３１ａに配置され、上下方向視において出射面２１の中央部を包む状態でフィルタ４における頂部となる。傾斜部４ｂおよび４ｃは蓋上面３１の傾斜面部３１ｂおよび傾斜面部３１ｃに配置される。前述のとおり、Ｎ個ある傾斜部は各々、側面視において、０°＜θ≦９０°の範囲のいずれかの傾斜角度を法線とする。

【0050】

フィルタ４の配置の変形例としては、フィルタを蓋下面３２に形成してもよい。その場合は、フィルタ４の平坦部４ａは、透明蓋３の蓋下面３２の底面部３２ａに配置され、上下方向視において出射面２１の中央部を包む状態でフィルタ４における頂部となる。傾斜部４ｂおよび４ｃは蓋下面３２の傾斜面部３２ｂおよび傾斜面部３２ｃに配置される。

【0051】

このように傾斜部４ｂおよび４ｃを有することで、傾斜部を有しない透明蓋３に大きな入射角で入射した場合に透過してしまうλ１より短波長側の波長の光を、効率よくカットすることができる。本実施形態において、平坦部４ａと傾斜部４ｂとの境界（山折り線）は、傾斜角度θ＝１０°の位置にある。平坦部４ａと傾斜部４ｂとの境界は、出射面２１の外周部から、０≦θ≦２０°となる範囲内であることが好ましく、０≦θ≦１５°となる範囲内であることがより好ましい。

【0052】

側面視において、出射面２１の外周から透明蓋３に向かう垂線に対して、傾斜部４ｂ（傾斜面部３１ｂ）に斜めに向かう光線の傾斜角度をθ_ｂとする。本実施形態における傾斜部４ｂはθ_ｂ＝θ_２０（傾斜角度θ＝２０°）を法線とする面である。これは傾斜面部３１ｂの法線となる光線の傾斜角度と同じである。θ_ｂは、上記の平坦部４ａと傾斜部４ｂとの境の傾斜角度より大きいことが好ましい。これにより、フィルタ４の傾斜部４ｂにも発光素子２の出射面２１からの光が 垂直に近い入射角度で入射するようになる。

【0053】

側面視において、出射面２１の外周から透明蓋３に向かう垂線に対して、傾斜部４ｃ（傾斜面部３１ｃ）に斜めに向かう光線の傾斜角度をθ_ｃとする。本実施形態における傾斜部４ｃはθ_ｃ＝θ_４０（傾斜角度θ＝４０°）を法線とする面である。これは傾斜面部３１ｃの法線となる光線の傾斜角度と同じである。これにより、フィルタ４の傾斜部４ｃにも発光素子２の出射面２１からの光が垂直に近い入射角度で入射するようになる。

【0054】

本実施形態において、傾斜部４ｂと傾斜部４ｃの境界（山折り線）は、θ＝３０°の位置にある。傾斜部４ｂを設ける範囲（傾斜面部３１ｂの範囲）としては、θ_ｂ-１５°≦θ≦θ_ｂ＋１５°の範囲内とすることが好ましく、θ_ｂ-１０°≦θ≦θ_ｂ＋１０°の範囲内とすることがより好ましい。また、傾斜部４ｂと傾斜部４ｃの境界はθ_ｂとθ_ｃの中間とすることが好ましい。

【0055】

このように、出射面２１からの光線の角度が、フィルタ４に対して垂直に近い角度で入射するように、フィルタ４が配置される領域の角度を調整することで、特定波長としてのλ１より長波長側の光を効率的に光半導体装置１００の外部に取り出しつつ、λ１より短波長側の光を適切にカットすることができるのである。

【0056】

上面視における平坦部４ａの形状は、出射面２１の形状に合わせて任意の形状としてよい。平坦部４ａの形状は、四角形や長方形や多角形や円形などの形状を選択可能である。平坦部４ａの形状は、上面視における出射面２１の形状と相似する形（図１Ａ参照）または、出射面２１から等距離となるように角部に曲率半径を有する形（図１Ｂ参照）であることが好ましい。

【0057】

以下では、比較例と対比しつつ、本実施形態に係る実施例を説明する。

【0058】

（実施例）
図２に例示したような光半導体装置１００を、以下のように構成し、実施例に係る光半導体装置とした。以下の説明において、寸法に関する記載は、図２に示す断面における値である。

【0059】

透明蓋３は、平板状の石英ガラス製とし、板の厚みは０．５ｍｍとした。発光素子２には厚み０．４４ｍｍの紫外ＬＥＤチップ（１ｍｍ×１ｍｍ）を採用し、出射面２１から透明蓋３の下平面部３２aまでの距離は０．５５ｍｍとした。透明蓋３は、図２に示すように蓋上面３１と蓋下面３２の両方において、出射面２１と水平な上平面部３１aおよび下平面部３２aを有し、出射面２１の外周からの傾斜角度がθ＝２０°を法線とする傾斜面部３１ｂおよび傾斜面部３２ｂを有し、θ＝４０°を法線とする傾斜面部３１ｃおよび傾斜面部３２ｃを有している。発光素子２の発光中心波長は３１０ｎｍである。パッケージ基板１はＡＩＮセラミックス製とし、発光素子２の側面からパッケージ基板１の凹部における内側側面までの距離は０．６５ｍｍとした。透明蓋３とパッケージ基板１との接着層９の幅は、０．６ｍｍとした。

【0060】

カットしたい波長域の最大波長は３００ｎｍと定め、特定波長としてのλ１は３０５ｎｍとした。そして、α＝０°である上記の図３および表１に示したフィルタ４を透明蓋３の蓋上面３１の上平面部３１a、傾斜面部３１ｂ、傾斜面部３１ｃの上に形成して、それぞれ平坦部４a、傾斜部４ｂ、傾斜部４ｃとした。

【0061】

光半導体装置の発光スペクトルと配光分布特性とを測定し、実施例のフィルタを設ける場合と設けない場合の比較を行った。実施例に係る発光スペクトルを図４Ａに示す。λ１より長波長の配光分布特性を図４Ｂに、λ１以下の波長の配光分布特性を図４Ｃに示す。

【0062】

発光スペクトルは、積分球を用いて全光束の測定とし、分光器を用いて行なった。配光分布特性は、以下のようにして計測することができる。図６には、本実施形態に係る光半導体装置１００の配光分布特性の測定方法の説明図を示している。光半導体装置１００から１００ｍｍ離れた位置に、ファイバープローブＡを配置して、そのファイバープローブＡの先端の位置の観測角度を変えることによって、光半導体装置１００から放射される光の観測角度依存性としての配光分布特性を測定することができる。ファイバープローブＡの受光直径は例えば３．９ｍｍとすることができ、ファイバープローブＡの他端を分光器（例えばオーシャンオプティクス製ＱＥ６５ Ｐｒｏ）に繋いで、発光スペクトルを測定することができる。本実施例では、光半導体装置１００を固定し、ファイバープローブＡを－６０°から６０°まで５°毎に回転させて、配光分布特性を測定した。配光分布特性の測定は、２００ｎｍ以上４００ｎｍ以下の波長を対象とし、得られたデータから２００ｎｍ～３０５ｎｍの値と、３０６ｎｍ～４００ｎｍの値とを抽出した。

【0063】

（比較例）
比較例に係る光半導体装置は、透明蓋３の蓋上面３１および蓋下面３２の全面が出射面２１と平行であり、傾斜部４ｂと傾斜部４ｃが無く、全面が平坦部４ａであるフィルタを蓋上面３１に形成した以外は、実施例１と同様にして半導体装置を構成した場合である。比較例のフィルタを設ける場合と設けない場合の比較を行い、比較例に係る発光スペクトルを図５Ａに示す。λ１より長波長の配光分布特性を図５Ｂに、λ１以下の波長の配光分布特性を図５Ｃに示す。

【0064】

比較例のように傾斜部をもたない場合は、図５Ｃに示すように、配光角の絶対値が１５°より大きい角度では、λ１より短波長側の光の強度を低下させる能力が大きく低下することがわかる。一方、実施例のようにフィルタが傾斜部４ｂと傾斜部４ｃを有すると、図４Ｃに示すように、配光角の絶対値が１５°より大きい角度でも、λ１より短波長側の光の強度を大きく低下させることが出来ており、図４Ａに示すように、発光スペクトルにおいても、３００ｎｍ以下の発光強度を零に近くすることが出来ていることが分かる。

【0065】

（第二実施形態）
第二実施形態に係る光半導体装置１００は、図７に示すように透明蓋３の形状が第一実施形態とは異なり、蓋上面３１の全面が出射面２１と平行である点、および、蓋下面３２のみに設けられる傾斜部は２個ではなく1個であり凸形状の側面視の断面形状が台形である点で異なり、その他は第一実施形態と同様である。蓋上面３１が出射面２１と平行であるため、フィルタ４は透明蓋３の下面側に配置される。

【0066】

図７に示すように、本実施形態の光半導体装置１００では、透明蓋３が板状であり、蓋下面３２が、上方に向けて凹む凹面状とされている。蓋下面３２は、第一実施形態の蓋上面３１（図１、図２参照）と同様に、四角錘の上端を面取りした形状とされている。蓋下面３２には、凹面状の形状を形成する面部分として、平面状の底面部３２ａと、傾斜面部３２ｂとが形成されている。

【0067】

底面部３２ａは、出射面２１に平行な範囲に形成されている。底面部３２ａにはフィルタ４の平坦部４ａが配置される。

【0068】

本実施形態において、平坦部４ａと傾斜部４ｂとの境界は、θ＝１５°の位置にある。平坦部４ａと傾斜部４ｂとの境界は出射面２１の外周部から、０≦θ≦２０°となる範囲内であることが好ましく、０≦θ≦１５°となる範囲内であることがより好ましい。

【0069】

傾斜部４ｂは、側面視において、出射面２１の外周から透明蓋３に向かう垂線に対して、傾斜部４ｂ（傾斜面部３２ｂ）に斜めに向かう光線の傾斜角度をθ_ｂとしたときに、θ_ｂ＝３０°の傾斜角度を法線とする面となる。傾斜部４ｂと傾斜面部３２ｂの法線となる光線の傾斜角度は同じである。傾斜面部３２ｂは、底面部３２ａの外側且つ、下側へ延在する四方の斜面として形成されている。傾斜面部３２ｂにはフィルタ４の傾斜部４ｂが配置される。

【0070】

このようにフィルタ４が透明蓋３の下面側に配置されるようにすることで、透明蓋３に入射したあとの光の軌跡を考慮しないで済むため光カットフィルタの配置位置の設計が容易になる。

【0071】

（第二実施形態の変形例）
透明蓋３の蓋下面３２が上方に向けて凹む凹面状に形成されて蓋下面３２にフィルタ４を設けている場合において、図８に示すように、更に透明蓋３の上面側を上方に向けて凸形状となるように変形してもよい。この変形例では、透明蓋３の上面側が全体にわたって、球面の一部（図８では、半球状のレンズ形状）となるように形成されている場合を示している。

【0072】

（第三実施形態）
第三実施形態に係る光半導体装置１００は、図９に示すように透明蓋３の形状が第一実施形態とは異なり、蓋下面３２の全面が出射面２１と平行である点、および、傾斜部は２個ではなく1個であり凸形状の側面視の断面形状が台形である点で異なり、その他は第一実施形態と同様である。蓋下面３２の全面が出射面２１と平行であるため、フィルタ４は透明蓋３の蓋上面３１に配置される。

【0073】

蓋下面３２の全面が出射面２１と平行であるため、透明蓋３の蓋下面３２に垂直以外の角度で入射した場合の光路は、透明蓋３の厚さおよび屈折率に依存して、閉鎖空間Ｓ、透明蓋３の境界面においてスネルの法則に従って屈折するため、折れ線のような光路をとる。そのため、蓋上面３１から出射される光線は、蓋下面３２に入る光線の直線からずれる。例えば、透明蓋３として合成石英(屈折率：１．４９)を使用した場合、屈折率が１の閉鎖空間Sから蓋下面３２に３０°で入射した光は、透明蓋３の内部を進む光線の屈折角が１９．６°となる。

【0074】

本実施形態においては、幾何学的な寸法形状により、透明蓋３の蓋下面３２へ入射する傾斜角度の最大値は78°となる。したがって、蓋下面３２への入射角は０°～７８°の範囲となるが、透明蓋３の内部を進む光線の屈折角は０°～４１°となる。さらに、傾斜部４ｂには傾斜部４ｂの法線に対して正負両方の入射角を有する光線が入射することを考慮すると、平坦部４ａおよび傾斜部４ｂの境界は屈折角の範囲０°～４１°の１／３に相当するθ＝１４°が好ましい。また、傾斜部４ｂの法線は屈折角の１４°～４１°の範囲の中間値に対応するθ＝２７°が好ましい。これにより、平坦部４ａだけでなくフィルタ４の傾斜部４ｂにも発光素子２の出射面２１からの光が垂直に近い入射角度で入射するようになる。具体的には、平坦部４ａおよび傾斜部４ｂに入射する光線は、ともに０°～１４°の範囲の入射角を有する光を主たる成分とすることができる。したがって、光干渉フィルタの入射角度依存性の影響を抑制することができ、特定波長としてのλ１より長波長側の光の出力の減衰を抑制しながらλ１より短波長側の光を効果的にカットすることができる。

【0075】

以上のようにして、光半導体装置を提供することができる。

【0076】

なお、上記実施形態（別実施形態を含む、以下同じ）で開示される構成は、矛盾が生じない限り、他の実施形態で開示される構成と組み合わせて適用することが可能であり、また、本明細書において開示された実施形態は例示であって、本発明の実施形態はこれに限定されず、本発明の目的を逸脱しない範囲内で適宜改変することが可能である。

【産業上の利用可能性】

【0077】

本発明は、光半導体装置に適用できる。

【符号の説明】

【0078】

１ ：パッケージ基板
１００ ：光半導体装置
１１ ：底面
１３ ：筒部
２ ：発光素子
２１ ：出射面
３ ：透明蓋
３１ ：蓋上面
３１ａ ：上平面部
３１ｂ ：傾斜面部
３１ｃ ：傾斜面部
３２ ：蓋下面
３２ａ ：底面部
３２ｂ ：傾斜面部
３２ｃ ：傾斜面部
４ ：フィルタ
４ａ ：平坦部
４ｂ ：傾斜部
４ｃ ：傾斜部
９ ：接着層
Ａ ：ファイバープローブ
Ｐ ：中心部
Ｓ ：閉鎖空間

【図1A】

【図1B】

【図2】

【図3】

【図4A】

【図4B】

【図4C】

【図5A】

【図5B】

【図5C】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】