(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
取り付けられる半導体素子または半導体モジュールよりも熱伝導率の高い材料からなる熱伝導層と対象とするフォノンの平均自由行程および波長に応じて層厚が決定される熱共振体層とが交互に積層された異方性熱伝導部材と、
前記半導体素子または半導体モジュールから前記異方性熱伝導部材を介して伝達した熱を吸熱して冷却または放熱する１つ以上の冷却放熱手段と、
を備えたことを特徴とする異方性冷却素子。
【請求項２】
前記半導体素子または半導体モジュールと前記異方性熱伝導部材との間に接触層が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の異方性冷却子。
【請求項３】
前記異方熱性伝導部材と前記冷却放熱手段との間に接触層が設けられていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の異方性冷却子。
【請求項４】
少なくとも１つ以上の異方性熱伝導部材が、前記半導体素子または半導体モジュールの１つの面上の一部または全部に接触するように設けられ、各異方性熱伝導部材が対応する接触層を介して冷却放熱手段に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の異方性冷却素子。
【請求項５】
少なくとも１つ以上の異方性熱伝導部材が、前記半導体素子または半導体モジュールの対向する１対の面の各面上の一部または全部に接触するように設けられ、各異方性熱伝導部材が対応する接触層を介して冷却放熱手段に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の異方性冷却素子。
【請求項６】
積層された半導体素子または半導体モジュールの各半導体素子または半導体モジュール間に１つ以上の異方性熱伝導部材が半導体素子または半導体モジュールに接触するように設けられ、前記各異方性熱伝導部材が対応する接触層を介して冷却放熱手段に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の異方性冷却素子。
【請求項７】
前記異方性熱伝導部材が、端面または端面近傍の所定の領域にいずれか１つ以上の前記接触層を形成する接触領域を有することを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の異方性冷却素子。
【請求項８】
前記異方性熱伝導部材のいずれか１つ以上の前記熱伝導層が、前記異方性熱伝導部材のいずれか１つ以上の前記接触領域内の一部または全部で露出していることを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載の異方性冷却素子。
【請求項９】
冷却放熱手段の異方性熱伝導部材との接触領域の形状が、対応する異方性熱伝導部材の接触領域内の熱伝導層が露出した部分と密着する形状となっていることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の異方性冷却素子。
【請求項１０】
冷却放熱手段の異方性熱伝導部材との接触領域に形成された接触層がナノ粒子からなる材料を主要材料として含むナノ粒子含有材料を用いて形成されることを特徴とする請求項１乃至請求項９のいずれか１項に記載の異方性冷却素子。
【請求項１１】
前記接触層のナノ粒子が、銀、銅若しくは金のいずれか、又は酸化銀若しくは酸化銅のいずれかからなることを特徴とする請求項１０に記載の異方性冷却素子。
【請求項１２】
前記ナノ粒子含有材料がナノ粒子からなる材料以外に、バインダ樹脂および界面活性剤のうちの１つ以上を含むことを特徴とする請求項１０又は請求項１１に記載の異方性冷却素子。
【請求項１３】
前記ナノ粒子が少なくとも酸化銀および酸化銅を含む酸化物のうちのいずれか１つ以上の物質からなる場合、さらに、炭化物、遷移金属酸化物、典型金属酸化物、又は、典型金属元素の合金の酸化物を還元用焼結助剤として含むことを特徴とする請求項１１に記載の異方性冷却素子。
【請求項１４】
前記ナノ粒子含有材料がハンダ粒子からなる材料又はハンダ粒子を含む材料であることを特徴とする請求項１０に記載の異方性冷却素子。
【請求項１５】
前記ナノ粒子の平均の直径が１ｎｍ以上２００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１０に記載の異方性冷却素子。
【請求項１６】
前記ナノ粒子含有材料を用いて形成される接触層の厚さが２００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項８乃至請求項１５のいずれか１項に記載の異方性冷却素子。
【請求項１７】
前記ナノ粒子含有材料がレーザ光の照射又は高周波電磁波の印加によって焼成され、接触層を形成することを特徴とする請求項８乃至請求項１６のいずれか１項に記載の異方性冷却素子。
【請求項１８】
いずれか１つ以上の前記冷却放熱手段が、それぞれヒートシンク又はペルチェ素子を用いて構成されることを特徴とする請求項１乃至請求項１７のいずれか１項に記載の異方性冷却素子。
【請求項１９】
いずれか１つ以上の前記冷却放熱手段をゼーベック素子で置き換えたことを特徴とする請求項１乃至請求項１７のいずれか１項に記載の異方性冷却素子。
【請求項２０】
ペルチェ素子が複数同一面内に放熱面または冷却面を揃えて配置された冷却手段と、前記冷却手段を前記放熱面と前記冷却面との両方から挟持する１対の受熱基板と、前記冷却手段と前記受熱基板との間に配置される、熱伝導率の高い材料からなる熱伝導層と対象とするフォノンの平均自由行程および波長に応じて層厚を調整する熱共振体層とが交互に積層された部材である異方性熱伝導部材とを備えた異方性冷却素子を有することを特徴とするペルチェモジュール。
【請求項２１】
ペルチェ素子が複数同一面内に放熱面または冷却面を揃えて配置された冷却手段と、前記冷却手段の前記放熱面と前記冷却面との間に設けられ、前記冷却手段を保持するホルダー基板と、前記ホルダー基板の対向する面上に配置される、熱伝導率の高い材料からなる熱伝導層と対象とするフォノンの平均自由行程および波長に応じて層厚を調整する熱共振体層とが交互に積層された異方性熱伝導部材とを備えた異方性冷却素子を有することを特徴とするペルチェモジュール。
【請求項２２】
取り付けられる発熱体よりも熱伝導率の高い材料からなる熱伝導層と対象とするフォノンの平均自由行程および波長に応じて層厚が決定される熱共振体層とが交互に積層された異方性熱伝導部材と前記異方性熱伝導部材を介して伝達した熱を吸熱して冷却または放熱する１つ以上の冷却放熱手段とを有する異方性冷却素子と、
前記発光体としての発光ダイオードチップと、基板とを備え、前記基板上に前記異方性熱伝導部材が形成されており、前記異方性熱伝導部材の表面上に前記発光ダイオードチップが実装されていることを特徴とする発光ダイオード素子。
【請求項２３】
前記異方性熱伝導部材の側面と前記基板の側面のうち、少なくとも前記異方性熱伝導部材の側面に前記冷却放熱手段が設けられていることを特徴とする請求項２２に記載の発光ダイオードチップが実装されている発光ダイオード素子。
【請求項２４】
取り付けられる発熱体よりも熱伝導率の高い材料からなる熱伝導層と対象とするフォノンの平均自由行程および波長に応じて層厚が決定される熱共振体層とが交互に積層された異方性熱伝導部材と前記異方性熱伝導部材を介して伝達した熱を吸熱して冷却または放熱する１つ以上の冷却放熱手段とを有する異方性冷却素子と、前記発光体としての発光層とおよび電流狭窄層を有する半導体レーザ素子と、を備え、前記異方性冷却素子の異方性熱伝導部材が前記電流狭窄層の内部、上部および下部のいずれかに形成されていることを特徴とする半導体レーザ素子。
【請求項２５】
前記半導体レーザ素子の側面に前記冷却放熱手段が設けられていることを特徴とする請求項２４に記載の半導体レーザ素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱伝導率が面に垂直方向に比して面内方向で高い異方性熱伝導部材を用いた異方性冷却素子およびこれを備えたペルチェモジュール、発光ダイオード素子、半導体レーザ素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、半導体素子、半導体レーザ素子、およびこれらのモジュール等（以下、発熱素子等という。）の発熱体の冷却は、Ｃｕ、Ａｌ等の熱伝導率の高い材料からなるヒートシンクを発熱素子等に取り付ける方法が広く用いられてきた。この方法では、発熱素子等にヒートシンクを接触させ、ヒートシンクを介して熱が放熱される。また、ヒートシンクは、発熱素子等内の熱分布の均一性を高くする機能も有し、発熱素子等内の局所的に突出して温度の高い部分を除去することができる。そして、高い放熱性能を必要とする場合は、ファンを用いて空冷する方法、特定の気体、液体等の冷却媒体を循環させて冷却する方法等がとられる。さらに、ヒートシンクを用いて放熱する方法、ファンを用いて空冷する方法、特定の気体・液体等の冷却媒体を循環させて冷却する方法を組み合わせる方法等がある。
【０００３】
また、ペルチェ素子を半導体素子に接触させ、省スペースと高い冷却性能とを両立させる冷却方法も用いられている。さらに、近年、携帯端末等では、内蔵する半導体素子からの熱を熱電対等の熱電素子で電力に変換して電源にフィードバックし、電力の消費をできるだけ低減しようとする技術も検討されている。かかる用途での熱電素子の利用の場合でも、熱電変換効率の観点から高熱側と冷熱側での熱分布の均一化が必要となる。
【０００４】
携帯電話機等の携帯端末には、機能の拡大、送信電力の増大等の要求が一層高まってきている。かかる要求に応えるためには、内蔵する半導体素子からの発熱量の増大の問題を解決しなければならない。極言すると、現状のままの放熱方法では、手で持つことさえ不可能になると言われている。そのため、内蔵する半導体素子の効率的な冷却技術がきわめて重要となってきている。また、機能の拡大に伴う部品点数の増大により、半導体素子に用いられる冷却手段は省スペース化が可能なものでなければならない。
【０００５】
ここで、等方的な熱伝導部材を用いたのでは、熱が輸送の途中で拡散してしまい、効果的に輸送できず、冷却、熱電変換等を効率的に行うことができないという問題があった。そのため、熱伝導部材として、例えばα−Ｓｉ３Ｎ４リッチ相とβ−Ｓｉ３Ｎ４リッチ相とを交互に積層して多層化した多層熱伝導部材を形成し、異層界面におけるフォノン散乱を利用して、層に垂直な方向のフォノン散乱を生じやすくし、この方向の熱絶縁性（以下、層垂直方向熱絶縁性という。）を向上させる方法なども検討されている（例えば、特許文献１参照）。しかし、この熱絶縁材料は、固溶体のある層と固溶体のない層とを積層したものであり、積層厚が100μｍ程度とフォノンの自由行程距離よりも大幅に大きい厚さであり、さらに本発明のように膜厚方向には熱絶縁化しているが、膜面内では高熱伝性を有していない。
【０００６】
【特許文献１】特開平８−２７６５３７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、従来の多層熱伝導部材を用いた冷却素子および異方性熱電素子では、層に垂直方向の熱浸透率である層垂直方向熱浸透率を低く抑えて高い冷却効率および熱電変換効率を実現するのが困難であるという問題があった。これは、多層熱伝導部材を構成する各層の膜厚が１００μm程度以上と、フォノンの平均自由行程よりも大幅に大きく、多層熱伝導部材が熱を面内に効率よく閉じ込めることができず、相当量の熱が熱輸送の際に拡散してしまうことによるものであった。
【０００８】
本発明は、このような問題を解決するためになされたもので、省スペースかつ冷却効率の向上が可能な異方性冷却素子およびこれを備えたペルチェモジュール、発光ダイオード素子、半導体レーザ素子を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明の第１の態様に係る異方性冷却素子は、取り付けられる半導体素子または半導体モジュールよりも熱伝導率の高い材料からなる熱伝導層と対象とするフォノンの平均自由行程および波長に応じて層厚が決定される熱共振体層とが交互に積層された異方性熱伝導部材と、前記半導体素子または半導体モジュールから前記異方性熱伝導部材を介して伝達した熱を吸熱して冷却または放熱する１つ以上の冷却放熱手段と、を備えたことを特徴とする。
【００１０】
この態様によれば、熱伝導層と熱共振体層を交互に積層された異方性熱伝導部材により層に垂直方向の熱浸透率である層垂直方向熱浸透率が低く抑えられると共に、半導体素子または半導体モジュールからの熱が異方性熱伝導部材を介して冷却放熱手段に伝達されるので、省スペースかつ冷却効率および熱電変換効率の向上が可能な異方性冷却素子を実現できる。なお、ここにいう「対象とするフォノン」は、共振を起こす周波数のフォノン、つまり、共振条件を満たす波長のフォノンという意味で用いている。
【００１１】
本発明の他の態様に係る異方性冷却素子は、前記半導体素子または半導体モジュールと前記異方性熱伝導部材との間に接触層が設けられていることを特徴とする。この態様によれば、熱接触抵抗が低減され、半導体素子または半導体モジュールから異方性熱伝導部材への熱の伝達を効率化できる。
【００１２】
本発明の他の態様に係る異方性冷却素子は、前記異方熱性伝導部材と前記冷却放熱手段との間に接触層が設けられていることを特徴とする。この態様によれば、熱接触抵抗が低減され、異方性熱伝導部材から冷却放熱手段への熱の伝達を効率化でき、冷却効率が向上する。
【００１３】
本発明の他の態様に係る異方性冷却素子は、少なくとも１つ以上の異方性熱伝導部材が、前記半導体素子または半導体モジュールの１つの面上の一部または全部に接触するように設けられ、各異方性熱伝導部材が対応する接触層を介して冷却放熱手段に接続されていることを特徴とする。
【００１４】
本発明の他の態様に係る異方性冷却素子は、少なくとも１つ以上の異方性熱伝導部材が、前記半導体素子または半導体モジュールの対向する１対の面の各面上の一部または全部に接触するように設けられ、各異方性熱伝導部材が対応する接触層を介して冷却放熱手段に接続されていることを特徴とする。
【００１５】
本発明の他の態様に係る異方性冷却素子は、積層された半導体素子または半導体モジュールの各半導体素子または半導体モジュール間に１つ以上の異方性熱伝導部材が半導体素子または半導体モジュールに接触するように設けられ、前記各異方性熱伝導部材が対応する接触層を介して冷却放熱手段に接続されていることを特徴とする。
【００１６】
本発明の他の態様に係る異方性冷却素子は、前記異方性熱伝導部材が、端面または端面近傍の所定の領域にいずれか１つ以上の前記接触層を形成する接触領域を有することを特徴とする。
【００１７】
本発明の他の態様に係る異方性冷却素子は、前記異方性熱伝導部材のいずれか１つ以上の前記熱伝導層が、前記異方性熱伝導部材のいずれか１つ以上の前記接触領域内の一部または全部で露出していることを特徴とする。
【００１８】
本発明の他の態様に係る異方性冷却素子は、冷却放熱手段の異方性熱伝導部材との接触領域の形状が、対応する異方性熱伝導部材の接触領域内の熱伝導層が露出した部分と密着する形状となっていることを特徴とする。
【００１９】
本発明の他の態様に係る異方性冷却素子は、冷却放熱手段の異方性熱伝導部材との接触領域に形成された接触層がナノ粒子からなる材料を主要材料として含むナノ粒子含有材料を用いて形成されることを特徴とする。この態様によれば、接触層を、ナノ粒子が異方性熱伝導部材と各冷却放熱手段との間の隙間を密に埋めることができ、もって熱接触抵抗を低く抑えることができる。
【００２０】
本発明の他の態様に係る異方性冷却素子は、前記接触層のナノ粒子が、接触層のナノ粒子が、銀、銅若しくは金のいずれか、又は酸化銀若しくは酸化銅のいずれかからなることを特徴とする。この態様によれば、ナノ粒子として、銀、銅若しくは金のいずれか、又は酸化銀若しくは酸化銅のいずれかからなるものを用いることは、熱接触抵抗を更に低く抑えることができる。
【００２１】
本発明の他の態様に係る異方性冷却素子は、前記ナノ粒子含有材料がナノ粒子からなる材料以外に、バインダ樹脂および界面活性剤のうちの１つ以上を含むことを特徴とする。この態様によれば、ナノ粒子を異方性熱伝導部材または各冷却放熱手段に良好に固定できる。
【００２２】
本発明の他の態様に係る異方性冷却素子は、前記ナノ粒子が少なくとも酸化銀および酸化銅を含む酸化物のうちのいずれか１つ以上の物質からなる場合、さらに、炭化物、遷移金属酸化物、典型金属酸化物、又は、典型金属元素の合金の酸化物を還元用焼結助剤として含むことを特徴とする。この態様によれば、酸化物に対する還元反応が促進し、金属ナノ粒子が形成しやすくなる。
【００２３】
本発明の他の態様に係る異方性冷却素子は、前記ナノ粒子含有材料がハンダ粒子からなる材料又はハンダ粒子を含む材料であることを特徴とする。この態様によれば、異方性熱伝導部材と各冷却放熱手段の接着性を向上させ、バインダ樹脂および界面活性剤等を要しない。
【００２４】
本発明の他の態様に係る異方性冷却素子は、前記ナノ粒子の平均の直径が１ｎｍ以上２００ｎｍ以下であることを特徴とする。
本発明の他の態様に係る異方性冷却素子は、前記ナノ粒子含有材料を用いて形成される接触層の厚さが２００ｎｍ以下であることを特徴とする。
【００２５】
本発明の他の態様に係る異方性冷却素子は、前記ナノ粒子含有材料がレーザ光の照射又は高周波電磁波の印加によって焼成され、接触層を形成することを特徴とする。
【００２６】
本発明の他の態様に係る異方性冷却素子は、いずれか１つ以上の前記冷却放熱手段が、それぞれヒートシンク又はペルチェ素子を用いて構成されることを特徴とする。この態様によれば、冷却放熱手段としてペルチェ素子を用いることで、高機能の実現に伴って増大した熱を効果的に吸熱できる。
【００２７】
本発明の他の態様に係る異方性冷却素子は、いずれか１つ以上の前記冷却放熱手段をゼーベック素子で置き換えたことを特徴とする。この態様によれば、冷却放熱手段としてゼーベック素子を用いることは、変換して得られた電気エネルギーを内蔵する電池に帰還させることによってエネルギー消費を低減できる。
【００２８】
本発明の他の態様に係る異方性冷却素子を有するペルチェモジュールは、少なくともペルチェ素子が複数同一面内に放熱面または冷却面を揃えて配置された冷却手段と、前記冷却手段を前記放熱面と前記冷却面との両方から挟持する１対の受熱基板と、前記冷却手段と前記受熱基板との間に配置される、熱伝導率の高い材料からなる熱伝導層と対象とするフォノンの平均自由行程および波長に応じて層厚を調整する熱共振体層とが交互に積層された部材である異方性熱伝導部材とを備えた異方性冷却素子を有することを特徴とする。
【００２９】
本発明の他の態様に係る異方性冷却素子を有するペルチェモジュールは、ペルチェ素子が複数同一面内に放熱面または冷却面を揃えて配置された冷却手段と、前記ホルダー基板の対向する面上に配置される、前記冷却手段の前記放熱面と前記冷却面との間に設けられ、前記冷却手段を保持するホルダー基板と、熱伝導率の高い材料からなる熱伝導層と対象とするフォノンの平均自由行程および波長に応じて層厚を調整する熱共振体層とが交互に積層された異方性熱伝導部材とを備えた異方性冷却素子を有することを特徴とする。
【００３０】
本発明の第２の態様に係る発光ダイオード素子は、異方性熱伝導部材と冷却手段とを有する異方性冷却素子と、前記発光体としての発光ダイオードチップと、基板とを備え、前記基板上に前記異方性熱伝導部材が形成されており、前記異方性熱伝導部材の表面上に前記発光ダイオードチップが実装されていることを特徴とする。
【００３１】
この態様によれば、基板上に異方性熱伝導部材を形成し、この異方性熱伝導部材の表面上に発光ダイオードチップを実装することで発光ダイオード素子を作製できるので、図１６に示す従来技術のような素子設計上、構造に制約がなくなる。これにより、構造が簡単で、汎用基板への高効率成膜が可能となり、製造コストを低減することができる。また、異方性熱伝導部材により発光ダイオードチップ全体の温度、特にそのピーク温度が下げられるので、発光ダイオードの長寿命化を図れる。
【００３２】
本発明の他の態様に係る発光ダイオード素子は、前記異方性熱伝導部材の側面と前記基板の側面のうち、少なくとも前記異方性熱伝導部材の側面に前記冷却放熱手段が設けられていることを特徴とする。この態様によれば、異方性熱伝導部材により層に垂直方向の熱浸透率である層垂直方向熱浸透率が低く抑えられると共に、発光ダイオードチップからの熱が異方性熱伝導部材を介して冷却放熱手段に伝達され、放熱されるので、省スペースかつ冷却効率および熱電変換効率の向上が可能な発光ダイオード素子を実現できる。
本発明の第３の態様に係る半導体レーザ素子は、異方性熱伝導部材と冷却手段とを有する異方性冷却素子と、前記発光体としての発光層とおよび電流狭窄層を有する半導体レーザ素子と、を備え、前記異方性冷却素子の異方性熱伝導部材が前記電流狭窄層の内部、上部および下部のいずれかに形成されていることを特徴とする。
【００３３】
この態様によれば、電流狭窄層の内部、上部および下部のいずれかに形成された異方性熱伝導部材により半導体レーザ素子の発光層近傍の温度分布が平坦化されて、発光層近傍のピーク温度が下げられる。これにより、発光層近傍の低温化、特に発光層近傍のピーク温度の低温化を図ることができるので、半導体レーザ素子の長寿命化を図ることができる。
【００３４】
本発明の他の態様に係る半導体レーザ素子は、前記半導体レーザ素子の側面に前記冷却放熱手段が設けられていることを特徴とする。この態様によれば、異方性熱伝導部材により層に垂直方向の熱浸透率である層垂直方向熱浸透率が低く抑えられると共に、半導体レーザ素子からの熱が異方性熱伝導部材を介して冷却放熱手段に伝達されるので、省スペースかつ冷却効率および熱電変換効率の向上が可能な半導体レーザ素子を実現できる。
【発明の効果】
【００３５】
本発明によれば、層に垂直方向の熱浸透率である層垂直方向熱浸透率を低く抑えるようにした積層構造の異方性熱伝導部材を用いた半導体素子または半導体モジュール、発光ダイオード素子、半導体レーザ素子からの熱を冷却放熱手段に移送するようにしたため、省スペースかつ冷却効率および熱電変換効率の向上が可能な異方性冷却素子を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３６】
以下、本発明の各実施形態について、図面を用いて詳細に説明する。
（第１実施態様）
図１は、本発明の第１実施態様に係る異方性冷却素子の断面構造を示す模式図である。図１において、異方性冷却素子１００は、発熱体としての半導体素子または半導体モジュール１０に取り付けられる異方性熱伝導部材１１０と、異方性熱伝導部材１１０を介して伝達した熱を吸熱して冷却または放熱する１つ以上の冷却放熱手段１２０１、１２０２と、異方性熱伝導部材１１０と各冷却放熱手段１２０１、１２０２とを熱的に接触させる、冷却放熱手段１２０１、１２０２毎の接触層とを備えるように構成される。
【００３７】
図２は、本発明の第１実施態様に係る異方性冷却素子１００の異方性熱伝導部材の断面構造の一例を模式的に示す図である。図２において、異方性熱伝導部材１１０は、少なくとも面内で半導体素子または半導体モジュール１０よりも熱伝導率の高い材料からなる複数の熱伝導層１１１１〜１１１ｎと、対象とするフォノンの平均自由行程および波長に応じて層厚が決定される熱共振体層１１２１〜１１２（ｎ＋１）とが交互に積層されて構成される。ここで、熱伝導層１１１１〜１１１ｎの層数、各熱伝導層１１１１〜１１１ｎの膜厚は、輸送する熱量に応じて決定される。
【００３８】
各熱共振体層１１２１〜１１２（ｎ＋１）は、フォノンの平均自由行程が長い材料によって構成され、層厚が対象とするフォノンの平均自由行程よりも短く、かつ、以下の条件を満たすように厚さになっている。
ｍλ／２．２＜ｔ＜ｍλ／１．８  （ｍは整数）
ここで、ｍは自然数であり、λは対象とするフォノンの波長、つまり共振条件を満たすフォノンの波長である。
【００３９】
熱伝導層１１１１〜１１１ｎは、例えば、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ等の熱伝導率の高い材料を用いて形成され、熱伝導層１１２１〜１１２（ｎ＋１）は、Ｓｉ等の平均自由行程を長くできる材料を用いて形成される。熱共振体層１１２１〜１１２（ｎ＋１）の厚さは、Ｓｉを材料に用いる場合、例えば、数ｎｍ〜数十ｎｍとし、動作温度でのフォノンの平均自由行程よりも短くする。
【００４０】
熱伝導層１１１１〜１１１ｎおよび熱共振体層１１２１〜１１２（ｎ＋１）の成膜方法として、例えば、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、イオンクラスタビーム法等を用いことができる。これらの成膜方法を用いて熱伝導層１１１１〜１１１ｎおよび熱共振体層１１２１〜１１２（ｎ＋１）を単結晶もしくは膜厚方向に結晶が連続し膜厚方向には結晶粒界が存在しない結晶膜によって構成することは、層内の結晶粒界等でのフォノンの散乱を除去または低減できるため、好ましい。
【００４１】
また、結晶膜によって構成される熱共振体層１１２１〜１１２（ｎ＋１）は、対象とするフォノンの平均自由行程が熱共振体層１１２１〜１１２（ｎ＋１）の膜厚以上となる大きさおよび数の結晶粒界を有するのでもよい。このような結晶粒界を有する結晶膜で熱共振体層１１２１〜１１２（ｎ＋１）を構成するによって、成膜方法および条件を緩和することができる。ただし、熱伝導層１１１１〜１１１ｎおよび熱共振体層１１２１〜１１２（ｎ＋１）の成膜方法は、上記の方法に限定されるものではなく、その他の結晶膜の成膜方法を用いるのでも、連続的な膜を形成するその他の適切な成膜方法を用いるのでもよい。
【００４２】
Ａｇからなり厚さ６ｎｍの熱伝導層１１１１〜１１１ｎとＳｉからなり厚さ６ｎｍの熱共振体層１１２１〜１１２（ｎ＋１）とを交互に５０層ずつＳｉ基板上に積層して得られた異方性熱伝導部材１１０と、同様の形状の単層のＳｉシートとを対象に、熱浸透率について比較した。サーモリフレクタンス法を用いて測定した結果、Ｓｉ基板上に形成された異方性熱伝導部材１１０およびＳｉシートに対して、熱浸透率は、それぞれ、１１００、３５０００Ｊｓ−０．５ｍ−２Ｋ−１となった。すなわち、異方性熱伝導部材１１０の熱浸透率がＳｉシートの熱浸透率の１／２０以下の値となった。
このように、異方性熱伝導部材１１０を用いることによって層に垂直方向への熱の拡散を抑えることが可能となり、ヒートシンク等への熱伝達を効率的にすることができるため、冷却効率が５倍以上も飛躍的に改善できる。
【００４３】
以下、本発明の第１実施態様に係る異方性冷却素子１００の作用について、図面を参照して説明する。まず、半導体素子または半導体モジュール１０が発生した熱は、異方性熱伝導部材１１０に伝わっていき、異方性熱伝導部材１１０内を温度勾配に応じて流れる。熱は、異方性熱伝導部材１１０内を温度の低い冷却放熱手段１２０１、１２０２側に伝達し、冷却放熱手段１２０１、１２０２で外部に放熱される。ここで、異方性熱伝導部材１１０は、熱伝導率の異方性が高いため、熱は、外部に拡散せず異方性熱伝導部材１１０内の２次元的空間に閉じ込められたまま冷却放熱手段１２０１、１２０２側に伝達する。その結果、半導体素子または半導体モジュール１０を効率良く冷却できると共に、小型化できる。さらに、半導体素子または半導体モジュール１０内の温度分布の偏りを減少させることが可能となる。
【００４４】
携帯機器用の半導体素子、パワー素子向けの半導体素子、これらのモジュール等で用いられるパッケージでは、半導体チップの劣化を防ぐためにラミネート加工が施されており、パッケージ内の半導体素子から熱を逃がすためにヒートシンクを取り付けても有効に熱を逃がすことが難しい。そのため、以上説明したように本発明の第１実施形態では、半導体チップ等の半導体素子または半導体モジュール１０に直に異方性熱伝導部材１１０を接触させ、さらに異方性熱伝導部材１１０の端部にヒートシンク等の冷却放熱手段１２０１、１２０２を設けて放熱する構成とし、効果的に放熱できるようにした。
【００４５】
（第２実施形態）
図３は、本発明の第２実施形態に係る異方性冷却素子１００の異方性熱伝導部材１１０と半導体素子または半導体モジュール１０との接続を説明するための模式的な断面図である。異方性熱伝導部材１１０には、中央部等に半導体素子または半導体モジュール１０をマウントする所定の領域（以下、マウント領域と言う。）
が設けられ、異方性熱伝導部材１１０は、マウント領域で半導体素子または半導体モジュール１０に接触層１３１を介して接触するようになっている。ここで、異方性熱伝導部材１１０のマウント領域で、図３に示すように、いずれかの熱伝導層１１１ｘ（ｘ：１〜ｎ）が露出するように構成される。本例では、熱伝導層１１１１〜１１１ｎのうち熱伝導層１１１１と熱伝導層１１１２が、半導体素子または半導体モジュール１０の外面に露出している。
【００４６】
このようにマウント領域を構成することは、熱接触抵抗を低減し、半導体素子または半導体モジュール１０から異方性熱伝導部材１１０への熱の伝達を効率化できるため、好ましい。
（第３実施形態）
図４に示す本発明の第３実施形態に係る異方性冷却素子１００では、異方性熱伝導部材１１０のマウント領域で、図３に示す上記第２実施形態の場合よりも多くの熱伝導層１１１ｘ（ｘ：１〜ｎ）が露出するように構成される。このようにマウント領域を構成することは、熱接触抵抗をさらに低減し、半導体素子または半導体モジュール１０から異方性熱伝導部材１１０への熱の伝達をより一層効率化できるため、好ましい。
なお、異方性熱伝導部材１１０が熱を輸送する主要な熱伝導層１１１ｐ（ｐ：１〜ｎ）を有する場合、上記の「ｘ」として、この「ｐ」または「ｐ」の近傍とすることは、さらに熱接触抵抗の低減等の観点から好ましい。
【００４７】
（第４実施形態）
図５に示す本発明の第４実施形態に係る異方性冷却素子１００では、異方性熱伝導部材１１０は、端面又は端面近傍の所定の領域に、各冷却放熱手段１２０１、１２０２との良好な熱接触をとるための階段状の接触領域を有する。異方性熱伝導部材１１０は、接触領域の一部または全部でマウント領域と同様に、いずれか１つ以上の熱伝導層１１１１〜１１１ｎが露出するように構成される。図５で符号「１４１」は、異方性熱伝導部材１１０と各冷却放熱手段１２０１、１２０２との間に設けられた接触層である。
【００４８】
接触層１４１は、図５に示すように、冷却放熱手段１２０１、１２０２毎に設けられ、異方性熱伝導部材１１０と各冷却放熱手段１２０１、１２０２とを熱的に接触させるようになっている。接触層１４１を、ナノ粒子含有材料を用いて形成することは、ナノ粒子が異方性熱伝導部材１１０と各冷却放熱手段１２０１、１２０２との間の隙間を密に埋めることができ、もって熱接触抵抗を低く抑えることができるため好ましい。
【００４９】
ナノ粒子として、銀、銅若しくは金のいずれか、又は酸化銀若しくは酸化銅の物質からなるものを用いるのでもよい。このナノ粒子として、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ等の熱伝導率の高い物質からなるものを用いることは、熱接触抵抗を更に低く抑えることができるため好ましい。また、ナノ粒子含有材料がナノ粒子からなる材料以外にバインダ樹脂および界面活性剤のうちの１つ以上を含むのは、ナノ粒子を異方性熱伝導部材１１０または各冷却放熱手段１２０１、１２０２に良好に固定できるため好ましい。バインダ樹脂および界面活性剤のうちの１つ以上を含むナノ粒子含有材料として、例えば、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ等の熱伝導率の高い金属のナノ粒子を含む金属ナノペーストを用いるのでもよい。
【００５０】
なお、ナノ粒子含有材料をハンダ粒子からなる材料又はハンダ粒子を含む材料とすることは、異方性熱伝導部材１１０と各冷却放熱手段１２０１、１２０２の接着性を向上させ、バインダ樹脂および界面活性剤等を要しないこと等の観点から好ましい。ここで、ナノ粒子が酸化銀、酸化銅等の酸化物のうちのいずれか１つ以上の物質からなる場合、ナノ粒子含有材料は、さらに、炭化物、遷移金属酸化物、典型金属酸化物、又は、典型金属元素の合金の酸化物を還元用焼結助剤として含むのでもよい。このようにすることによって、酸化物に対する還元反応が促進し、金属ナノ粒子が形成しやすくなるからである。
【００５１】
ここで、ナノ粒子として、平均の直径が１ｎｍから２００ｎｍ以下のものを用いることができる。接触層の形成は、ナノ粒子含有材料を接触領域内に塗布した後に、レーザ光を照射すること、例えばＭＨｚ台以上の高周波電磁波を印加すること等によってナノ粒子含有材料を加熱し、ナノ粒子含有材料を焼成する方法等を用いて行われる。ナノ粒子含有材料を用いて形成される接触層の厚さとして、ナノ粒子の径の上限とほぼ同じ２００ｎｍ以下とするのが良いが、熱抵抗低減の観点からは、１００ｎｍ以下が好ましく、さらには数十ｎｍ以下等のものが好ましい。また、ナノ粒子のサイズが小さくなると、ナノ粒子自体の融点が低下する効果もあり、特にこの点では、ナノ粒子のサイズは１００ｎｍ以下が好ましい。
【００５２】
マウント領域と同様に、異方性熱伝導部材１１０が熱を輸送する主要な熱伝導層１１１ｐ（ｐ：１〜ｎ）を有する場合、上記の「ｘ」として、この「ｐ」または「ｐ」の近傍とすることは、さらに熱接触抵抗の低減等の観点から好ましい。
【００５３】
なお、熱伝導層１１１１〜１１１ｎが露出した異方性熱伝導部材１１０の接触領域の形状は、階段状に限らず、異方性熱伝導部材１１０の厚さが接触領域において異方性熱伝導部材１１０の中央側から端面側に向けて単調に減少するものであっても良い。
【００５４】
具体的には、異方性熱伝導部材１１０の厚さが、冷却放熱手段１２０１，１２０２側の端面に向けて徐々にまたは単調に増加する、刃状、階段状、又はこれらを組み合わせた形状等が好ましい。ただし、本発明は異方性熱伝導部材１１０の厚さが接触領域において上記のように減少する構成には限定されず、その他の構成でもよい。また、上記のように異方性熱伝導部材１１０が熱を輸送する主要な熱伝導層１１１ｐ（ｐ：１〜ｎ）を有する場合、接触領域の断面形状を、この「ｐ」または「ｐ」の近傍の熱伝導層との接触面積が高なるようにすることは、熱接触抵抗を低減し、冷却、放熱等を効率的に行うという観点から好ましい。
【００５５】
（第５実施形態）
図６に示す本発明の第５実施形態に係る異方性冷却素子１００では、異方性熱伝導部材１１０の端面又は端面近傍の所定の領域に、冷却放熱手段１２０１、１２０２と図５に示す第４実施形態よりも大きな面積で熱接触をとるための接触領域が形成されている。図６で符号「１４２」は、異方性熱伝導部材１１０と各冷却放熱手段１２０１、１２０２との間に設けられた接触層である。
【００５６】
（第６実施形態）
図７は本発明の第６実施形態に係る異方性冷却素子５００を示している。
上記冷却放熱手段１２０１、１２０２は、例えば、異方性熱伝導部材１１０を介して伝達した熱を放熱するヒートシンク、伝達した熱を吸熱して冷却するペルチェ素子等によって構成される。冷却放熱手段をペルチェ素子とする構成としては、上記の構成における冷却放熱手段１２０１、１２０２をペルチェ素子で置き換えたものに加えて、図７に示す異方性冷却素子５００のように、ペルチェ素子５２０１、５２０２の放熱面Ｈと対向する冷却面Ｃを異方性熱伝導部材５１０に接触するように取り付ける構成等がある。図７で符号「２０」は半導体素子または半導体モジュールである。半導体素子または半導体モジュール２０の上面に異方性熱伝導部材５１０が取り付けられている。また、冷却放熱手段の一部をゼーベック素子で置き換えた構成でもよい。この構成では、ゼーベック素子が異方性熱伝導部材１１０を介して伝達した熱を電気エネルギーに変換し、得られた電気エネルギーは内蔵する電池に帰還される。
【００５７】
冷却放熱手段としてペルチェ素子を用いることは、高機能の実現に伴って増大した熱を効果的に吸熱できるため好ましい。また、冷却放熱手段としてゼーベック素子を用いることは、変換して得られた電気エネルギーを内蔵する電池に帰還させることによってエネルギー消費を低減できるため好ましい。冷却放熱手段の異方性熱伝導部材との接触領域の形状は、対応する異方性熱伝導部材の接触領域の形状に応じて決定され、異方性熱伝導部材の接触領域内の熱伝導層が露出した部分と密着する形状となっている。
【００５８】
（第７実施形態）
図８は本発明の第７実施形態に係る異方性冷却素子６０１を示している。
冷却放熱手段６２１１、６２１２は、図８に示すように、異方性熱伝導部材６１１から離れた位置に配置され、例えばヒートリード６３１１、６３１２を介して異方性熱伝導部材６１１に接続される構成となっている。図８で符号「３０」は半導体素子または半導体モジュールである。なお、冷却放熱手段６２１１、６２１２は、基板であってもよい。
【００５９】
（第８実施形態）
図９は本発明の第８実施形態に係る異方性冷却素子６０２を示している。
異方性熱伝導部材６１２は、半導体素子または半導体モジュール４０の対向する１対の面の各面上の一部または全部に接触するように設けられ、各異方性熱伝導部材６１２が対応する接触層を介して冷却放熱手段６２２１、６２２２に接続されるのでもよい。
【００６０】
この構成においても、冷却放熱手段６２２１、６２２２は、図９に示すように、異方熱伝導部材６１２から離れた位置に配置され、例えばヒートリード６３２１、６３２２を介して異方性熱伝導部材６１２に接続される。また、図示しないヒートシンクが半導体素子または半導体モジュール４０と基板との間に半導体素子または半導体モジュールと基板によって挟持されるように形成され、異方性熱伝導部材６１２と冷却放熱手段６２２１、６２２１２との接続はヒートリード６３２１、６３２２等によって行われるような構成である。
【００６１】
（第９実施形態）
図１０は本発明の第８実施形態に係る異方性冷却素子７００を示している。
図１０に示すように、半導体素子または半導体モジュール５０が積層され、各半導体素子または半導体モジュール５０間に異方性熱伝導部材７１０が半導体素子または半導体モジュール５０に接触するように又は半導体素子または半導体モジュール５０を挟むように設けられるのでもよい。そして、図１０に示す例では、各異方性熱伝導部材７１０がヒートリード７２０を介して冷却放熱手段としての基板７３０に接続されている。ここで、ヒートリード７２０が異方性熱伝導部材７１０の接触領域に設けられた接触層に取り付けられ、半導体素子または半導体モジュール５０が同様にマウント領域に設けられた接触層に取り付けられるのは、熱接触抵抗を低減できるため好ましい。上記の構成のように、各半導体素子または半導体モジュール５０間に異方性熱伝導部材７１０を設けることによって、内部の半導体素子または半導体モジュール５０からの熱を効果的に放熱できるため、極めて好ましい。また、半導体素子または半導体モジュール５０が半導体回路等からなる場合、必要に応じて貫通電極７４０を設け各半導体素子または半導体モジュール５０間を接続するのでもよい。
【００６２】
（第１０実施形態）
図１１は、本発明の第１０実施形態に係る異方性冷却素子８０１の断面構造を示すペルチェモジュールの模式図である。図１１において、異方性冷却素子８０１は、ペルチェ素子が複数同一面内に放熱面または冷却面を揃えて配置された冷却手段８１１と、冷却手段８１１を放熱面と冷却面との両方から挟持する１対の受熱基板８３１１、８３１２と、冷却手段８１１と受熱基板８３１１、８３１２との間に配置される異方性熱伝導部材８２１１、８２１２とを備えた構成を有する。図１２のような構成とすることにより、ペルチェ素子が複数同一面内に放熱面または冷却面を揃えて配置されたペルチェモジュールが得られる。
【００６３】
ここで、冷却手段８１１が有するペルチェ素子は、例えば、導電型の異なる不純物がドープされた２種類の半導体が銅等の金属で接続された構成を有する。ここで、上記の半導体として、Ｂｉ、Ｔｅ、Ｓｂ、Ｓｅ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｇｄ、Ｆｅ、Ｐｂ、Ｃｕ、Ａｇ等の化合物から成るものを用いることができる。
【００６４】
異方性熱伝導部材８２１１、８２１２は、本発明の第１実施態様で説明したものと同様の積層構造を有する。ここで、ペルチェ素子が設けられるマウント領域は、垂直方向の熱伝導性を考慮して受熱基板８３１１、８３１２側近くまで掘り込んだ例えば凹状の断面形状を有するのでもよい。
【００６５】
（第１１実施形態）
図１２は、本発明の第１１実施形態に係る異方性冷却素子８１０の断面構造を示すペルチェモジュールの模式図である。
なお、上記第１０実施形態では、受熱基板８３１１、８３１２が、冷却手段８１１を放熱面と冷却面との両方から挟持する構成について説明したが、本実施形態に係る異方性冷却素子８０２では、図１２に示すように、受熱基板８３１１、８３１２に代えて冷却放熱手段８１２を保持するホルダー基板８３２を設け、異方性熱伝導部材８２２１、８２２２がホルダー基板８３２の対向する面上に配置される構成としている。ホルダー基板が図１２に示す構成を採用する場合は、可撓性を有するペルチェモジュールが得られる。
【００６６】
（第１２実施形態）
次に、本発明を具体化した第１２実施形態に係る半導体素子を図１３に基づいて説明する。
【００６７】
本実施形態に係る半導体素子は、図１、図２で説明した異方性冷却素子の異方性熱伝導部材を放熱に利用した半導体素子としてハイパワーＬＥＤ（発光ダイオード）素子である。
半導体素子としてのハイパワーＬＥＤ素子７０は、異方性熱伝導部材としての異方性熱伝導膜７１と、発熱体としてのＬＥＤチップ７２と、基板７３とを備える。基板７３は汎用基板である。この基板７３上に異方性熱伝導膜７１が形成されている。この異方性熱伝導膜７１の表面上にＬＥＤチップ７２が実装されている。異方性熱伝導膜７１は、上記第１実施形態で説明した異方性熱伝導部材１１０（図１、図２参照）と同様の構成を有する。
【００６８】
ハイパワーＬＥＤ素子７０の両側面には、冷却放熱手段７４が接触層７５をそれぞれ介して配置されており、異方性熱伝導膜７１の露出した両端面が接触層７５をそれぞれ介してペルチェ素子７４と熱的に良好に接触するようになっている。冷却放熱手段７４としては、例えばペルチェ素子が用いられる。
【００６９】
ここで、本実施形態に係る半導体素子７０との比較例として、２つの従来技術を図１６および図１７に基づいて説明する
【００７０】
図１６は、複合構造によりハイパワーＬＥＤ素子の放熱をする従来のハイパワーＬＥＤ素子を示している。このハイパワーＬＥＤ素子は、金属製の基板である金属ベース７６と、中央に開口部を有するように金属ベース７６の表面に形成された樹脂層７７と、樹脂層７７の開口部で露出した金属ベース７６の表面および樹脂層７７の一部の表面上に、Ｖ字形状の断面を有するように形成されたＡｌＮパッケージ７８と、このＡｌＮパッケージ７８中央の平坦面上に実装されたＬＥＤチップ７９とを備えている。この従来技術では、素子設計上、構造に制約がある。
【００７１】
また、図１７は、高熱発熱パッケージ構造によりハイパワーＬＥＤ素子の放熱をする従来のハイパワーＬＥＤ素子を示している。このハイパワーＬＥＤ素子は、ＡｌＮ製のＡｌＮ基板８０と、ＡｌＮ基板８０中央の表面上に実装されたＬＥＤチップ８１と、ＬＥＤチップ８１の周囲を囲むようにＡｌＮ基板８０の表面上に形成されたＡｌＮパッケージ８２とを備えている。この従来技術では、基板自体がＡｌＮ製であり、部品コストが高くなる。
【００７２】
以上の構成を有する第１２実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。
基板７３上に異方性熱伝導膜７１を形成し、この異方性熱伝導膜７１の表面上にＬＥＤチップ７２を実装することでハイパワーＬＥＤ素子７０を作製できるので、図１６に示す上記従来技術のような素子設計上、構造に制約がなくなる。これと共に、基板７３は汎用基板で良いので、部品コストを低減できる。これにより、構造が簡単で、汎用基板への高効率成膜が可能となり、製造コストを低減することができる。
異方性熱伝導膜７１によりＬＥＤチップ７２全体の温度分布が平坦化されて、ＬＥＤチップ７２のピーク温度が下げられるので、ハイパワーＬＥＤ素子７０の長寿命化を図ることができる。
異方性熱伝導膜７１の露出した両端面が接触層７５をそれぞれ介してペルチェ素子７４と熱的に良好に接触するようになっている。このため、異方性熱伝導膜７１により層に垂直方向の熱浸透率である層垂直方向熱浸透率が低く抑えられると共に、ＬＥＤチップ７２からの熱が異方性熱伝導膜７１を介してペルチェ素子７４に伝達され、放熱されるので、省スペースかつ冷却効率および熱電変換効率の向上が可能なハイパワーＬＥＤ素子を実現できる。
【００７３】
（第１３実施形態）
次に、本発明を具体化した第１３実施形態に係る半導体レーザ素子を図１４および図１５に基づいて説明する。
【００７４】
本実施形態に係る半導体レーザ素子は、上記各実施形態で説明した異方性冷却素子の異方性熱伝導部材を放熱に利用した半導体レーザ素子である。図１４はこの半導体レーザ素子の概略構成を示す斜視図で、図１５はその詳細な構造を一部破断して示した斜視図である。なお、図１４と図１５は同じ構成の半導体素子を示しているが、図１４は異方性熱伝導膜を電流狭窄層の内部に形成した例を示してあり、図１５は異方性熱伝導膜を電流狭窄層の下部に形成した例を示してある。
【００７５】
半導体素子としての半導体レーザ素子９０は、図１４に示すように、多重量子井戸（ＭＱＷ）層からなる活性層９１と電流狭窄層９２とを有し、異方性熱伝導部材としての異方性熱伝導膜９３が電流狭窄層９２の内部に形成されている。
【００７６】
また、半導体レーザ素子９０は、図１４および図１５に示すように、基板１０３と、基板１０３の裏面側に形成された下部電極９４と、基板１０３の表面側に順に形成されたｎ型下部クラッド層９５、活性層９１、ｐ型上部クラッド層９６、ｐ型コンタクト層９７および上部電極９８と、を備える。電流狭窄層９２は、ｎ型下部クラッド層９５に隣接するｐ型層９２１と、ｐ型上部クラッド層９６に隣接するｎ型層９２２とを有する。符号「９９」はトンネル接合である。
【００７７】
本実施形態では、異方性熱伝導膜９３は、電流狭窄層９２の内部で、ｐ型層９２１とｎ型層９２２との間に形成されている。この異方性熱伝導膜９３は、以下の製造方法で形成する。
【００７８】
まず、電流狭窄のためのｐ型層９２１を形成後、異方性熱伝導膜９３を形成し、その後、ｎ型層９２２を形成する。
また、図１４において、符号「１５０」は半導体レーザ素子９０の光出射側端面に形成された反射防止膜（ＡＲ膜）或いは非反射膜であり、符号「１５」はその光反射側端面に形成された高反射膜（ＨＲ膜）である。なお、図１４において、高反射膜１５０の奥は本来見えないが、高反射膜１５０を透視的に示して半導体レーザ素子９０の光出射側端面の断面構造が見えるようにしてある。そして、半導体レーザ素子９０の両側面には、図１３に示すハイパワーＬＥＤ素子７０と同様に、冷却放熱手段が接触層をそれぞれ介して配置されており、異方性熱伝導膜９３の露出した両端面が接触層をそれぞれ介してペルチェ素子等の冷却放熱手段と熱的に良好に接触するようになっている。
【００７９】
このような構成を有する半導体レーザ素子９０では、下部電極（陰極）９４と上部電極（陽極）９８間に電流を注入すると、上部電極９８から注入された電流は、左右の電流狭窄層９２により電流流路を制限されて横方向に流れた後、トンネル接合９９を通過して流れ、正孔となって活性層９１に至る。こうして活性層９１に注入された正孔は、下部電極９４から注入される電子と再結合されて発光する。この発光した光が光出射側端面の反射防止膜１５０と光反射側端面の高反射膜１５１間を往復することで増幅されてレーザ発振に至り、反射防止膜１５０を通過してレーザ光として外部へ出射される。
【００８０】
以上の構成を有する第１２実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。
電流狭窄層９２内部に形成された異方性熱伝導膜９３により半導体レーザ素子９０の発光層９１近傍の温度分布が平坦化されて、発光層９１近傍のピーク温度が下げられる。これにより、発光層９１近傍の低温化、特に発光層９１近傍のピーク温度の低温化を図ることができるので、半導体レーザ素子９０の長寿命化を図ることができる。
半導体レーザ素子９０の両側面には、冷却放熱手段が接触層をそれぞれ介して配置され、異方性熱伝導膜９３の露出した両端面が接触層をそれぞれ介してペルチェ素子等の冷却放熱手段と熱的に良好に接触するようになっている。これにより、異方性熱伝導膜９３により層に垂直方向の熱浸透率である層垂直方向熱浸透率が低く抑えられると共に、半導体レーザ素子９０からの熱が異方性熱伝導膜９３を介して冷却放熱手段に伝達されるので、省スペースかつ冷却効率および熱電変換効率の向上が可能な半導体レーザ素子９０を実現できる。
【００８１】
なお、この発明は以下のように変更して具体化することもできる。
上記第２実施形態では、異方性熱伝導部材１１０は、マウント領域で半導体素子または半導体モジュール１０に接触層１３１を介して接触するようしているが、異方性熱伝導部材１１０が半導体素子または半導体モジュール１０に直に接触する構成にも本発明は適用可能である。
【００８２】
図１４に示す上記第１３実施形態では、異方性熱伝導膜９３を、電流狭窄層９２の内部で、ｐ型層９２１とｎ型層９２２との間に形成した例について説明したが、異方性熱伝導膜９３を電流狭窄層９２のｐ型層９２１の内部、或いは、ｎ型層９２２の内部に形成しても良い。
【００８３】
また、異方性熱伝導膜９３を図１５に示すように電流狭窄層９２の下部に形成してもよい。この異方性熱伝導膜９３は、次の製造方法で形成する。メサストラップを形成後、周辺部分に異方性熱伝導膜９３を形成し、その上層に電流狭窄のための電流狭窄層９２を構成するｐ型層９２１と、ｎ型層９２２を順次形成する。
【００８４】
また、異方性熱伝導膜９３を電流狭窄層９２の上部に形成してもよい。この異方性熱伝導膜９３は、次の製造方法で形成する。電流狭窄のためのｐ型層９２１、ｎ型層９２２を形成後、異方性熱伝導膜９３を形成する。
【００８５】
このように、本発明は、異方性熱伝導膜９３が活性層９１の近傍に配置される構成、つまり、異方性冷却素子の異方性熱伝導部材としての異方性熱伝導膜９３が電流狭窄層９２の内部、上部および下部のいずれかに形成されている半導体レーザ素子に広く適用可能である。
【産業上の利用可能性】
【００８６】
本発明の異方性冷却素子は、熱伝導率の高い熱伝導層と熱共振層とを交互に積層した異方熱伝導部材を用いることで、冷却効率および熱電変換効率の向上並びに省スペース化が可能という効果を有し、かかる効果が有効なペルチェモジュール、発光ダイオード素子、半導体レーザ素子等の電子素子、電子機器、その他の冷却を行う異方性冷却素子等として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００８７】
【図１】本発明の第１実施態様に係る異方性冷却素子の概略構成を示す断面図。
【図２】同異方性冷却素子の異方性熱伝導部材を示す拡大断面図。
【図３】本発明の第２実施態様に係る異方性冷却素子の主要部を示す断面図。
【図４】本発明の第３実施態様に係る異方性冷却素子の主要部を示す断面図。
【図５】本発明の第４実施態様に係る異方性冷却素子の主要部を示す断面図。
【図６】本発明の第５実施態様に係る異方性冷却素子の主要部を示す断面図。
【図７】本発明の第６実施態様に係る異方性冷却素子の主要部を示す断面図。
【図８】本発明の第７実施態様に係る異方性冷却素子の主要部を示す断面図。
【図９】本発明の第８実施態様に係る異方性冷却素子の主要部を示す断面図。
【図１０】本発明の第９実施態様に係る異方性冷却素子の主要部を示す断面図。
【図１１】本発明の第１０実施態様に係る異方性冷却素子を有するペルチェモジュールの主要部を示す断面図。
【図１２】本発明の第１１実施態様に係る異方性冷却素子を有するペルチェモジュールの主要部を示す断面図。
【図１３】本発明の第１２実施態様に係るハイパワーＬＥＤ素子の概略構成を示す断面図。
【図１４】本発明の第１３実施態様に係る半導体レーザ素子の概略構成を示す斜視図。
【図１５】同半導体レーザ素子の詳細な構造を一部破断して示した斜視図。
【図１６】ハイパワーＬＥＤ素子の放熱をする従来のハイパワーＬＥＤ素子の概略構成を示す断面図。
【図１７】従来のハイパワーＬＥＤ素子の概略構成を示す断面図。
【符号の説明】
【００８８】
１０、２０、３０、４０、５０  半導体素子または半導体モジュール（発熱体）
７０  ハイパワーＬＥＤ素子（発光ダイオード素子）
７１  異方性熱伝導膜
７２  ＬＥＤチップ
７３  基板
９０  半導体レーザ素子
９１  活性層
９２  電流狭窄層
９３  異方性熱伝導膜
１００、５００、６０１、６０２、７００、８０１、８０２  異方性冷却素子
１１０、５１０、６１１、６１２、７１０、８２１１、８２１２、８２２１、８２２２ 
異方性熱伝導部材
１１１１〜１１１（ｎ＋１）  熱伝導層
１１２１〜１１２（ｎ＋１）  熱共振体層
１２０１、１２０２、６２１１、６２１２、６２２１、６２２２  冷却放熱手段
１３１、１３２  接触層
１４１、１４２  接触層
５２０１、５２０２、８１１、８１２  ペルチェ素子
６３１１、６３１２、６３２１、６３２２、７２０  ヒートリード
７３０  基板
７４０  貫通電極
８３１１、８３１２  受熱基板
８３２  ホルダー基板
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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