JP6029912B2

JP6029912B2 - 半導体発光素子

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Publication number: JP6029912B2
Application number: JP2012210523A
Authority: JP
Inventors: 孝治松本; 二郎東野
Original assignee: Stanley Electric Co Ltd
Current assignee: Stanley Electric Co Ltd
Priority date: 2012-09-25
Filing date: 2012-09-25
Publication date: 2016-11-24
Anticipated expiration: 2032-09-25
Also published as: JP2014067777A; US20140084328A1

Description

本発明は、発光ダイオード（ＬＥＤ：Light Emitting Diode）等の半導体発光素子に関する。

半導体発光素子、例えばＬＥＤ素子における発光効率の向上を目的とした研究開発が盛んになっている。半導体発光素子の発光効率を向上させるためには、素子の放熱性の向上が重要である。例えば、特許文献１では、支持基板に開口部が設けられ、支持基板よりも熱伝導率の高い高熱伝導部材を開口部に埋め込み、素子の放熱性の向上を図っている。また、特許文献２では、支持基板の側方部に高熱伝導部が設けられ、素子の放熱性の向上を図っている。

特開２００５−７９３２６号公報特開２０１１−１８１８１９号公報

しかしながら、従来の半導体発光素子においては、素子面内における熱集中を十分に抑制できないという問題があった。本発明は、上記した点に鑑みてなされたものであり、素子全体の放熱性及び素子の面内の熱集中が改善され、素子の発光効率、発光効率の面内均一性及び信頼性等の素子特性を向上させた半導体発光素子を提供することを目的としている。

本発明による半導体発光素子は、第１導電型の第１の半導体層と、第２導電型の第２の半導体層と、第１の半導体層と第２の半導体層との間に設けられた発光層と、を含む半導体膜と、第１の半導体層上の一部に形成された第１の電極と、第２の半導体層上に形成された第２の電極と、第２の電極に接合された支持基板と、を有し、支持基板は、支持基板よりも熱伝導性が高く、支持基板の裏面から内部に至って埋設された高熱伝導部を有し、高熱伝導部は、半導体膜に平行な面において第１の電極の形状に対応した断面形状を有するとともに、半導体膜の平行方向及び垂直方向において第１の電極にアライメントされて設けられ、第１の電極は帯状電極部を有し、高熱伝導部は、半導体膜に平行な面において帯状電極部の相似形状であって帯状電極部以上の幅の断面を有して半導体膜の垂直方向に延伸する埋込部を含み、埋込部は半導体膜の平行方向及び垂直方向において帯状電極部にアライメントされて設けられていることを特徴としている。

本発明の実施例１である半導体発光素子の平面図及び断面図である。図１の半導体発光素子の一部を拡大した部分拡大断面図である。比較例の半導体発光素子の平面図及び断面図である。図１の半導体発光素子及び比較例の半導体発光素子の面内の温度分布及び発光効率を比較して示すグラフである。図１の変形例の半導体発光素子の平面図及び断面図である。図１の変形例の半導体発光素子の平面図である。本発明の実施例２である半導体発光素子の平面図及び断面図である。半導体発光素子の構造に起因する熱伝導を示す断面図及び温度分布を示すグラフである。実施例２の半導体発光素子の面内の温度分布、発光効率と比較例の半導体発光素子の面内の温度分布、発光効率との比較を示すグラフである。

以下、本発明の実施例について図面を参照しつつ説明する。尚、各図において、実質的に同一又は等価な構成要素および部分には同一の参照符を付している。以下の説明では、Al_xIn_yGa_zN（0≦x≦1、0≦y≦１、0≦z≦1、x+y+z=1）からなる半導体膜を含む半導体発光素子に本発明を適用した場合を例に説明するが、半導体膜は、他の材料により構成されていてもよい。

図１は、本発明の実施例１である半導体発光素子１０を示す。図１（ａ）は半導体膜２０、支持基板３０、電極５０の配置を模式的に示す平面図である。図１（ｂ）は支持基板３０の主面の垂直方向から見た場合の平面図である。図１（ｃ）は図１（ａ）のＷ−Ｗ線に沿った断面図である。

図１（ｃ）に示すように半導体発光素子１０は、半導体膜２０、半導体膜２０上に形成された第２の電極４０、及び第２の電極４０に接合された支持基板３０を含んだ構造を有している。半導体膜２０は、第１導電型の第１の半導体層２１、第２導電型の第２の半導体層２２、第１の半導体層２１と第２の半導体層２２との間に設けられた発光層２３、を含んでいる。なお、以下においては、第１導電型、第２導電型がそれぞれｎ型、ｐ型であり、第１の電極５０、第２の電極４０がそれぞれｎ電極、ｐ電極である場合について説明する。

半導体膜２０は、ｎ型半導体層２１、ｐ型半導体層２２、ｎ型半導体層２１とｐ型半導体層２２との間に設けられた発光層２３を含んだ構造を有している。ｎ型半導体層２１は、例えばＳｉのようなｎ型ドーパントが添加され、例えば厚さ３〜７μｍを有する。ｐ型半導体層２２は、例えばＭｇのようなｐ型ドーパントが添加され、例えば厚さ５０〜３００ｎｍを有する。発光層２３は、例えば厚さ２．２ｎｍのＩｎＧａＮ井戸層および厚さ１５ｎｍのＧａＮ障壁層を３〜１０周期繰り返して積層した多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を有している。

ｎ電極５０は、半導体膜２０に平行な面（図中、ｘｙ平面）において矩形環形状（又は矩形の枠形状）を有し、半導体膜２０のｎ型半導体層２１上の一部に形成されている。ｎ電極５０は、例えばＴｉ／Ａｌ／Ｐｔ／ＡｕやＴｉ／Ｎｉ／Ａｕが順次積層された構造を有している。ｎ電極５０は、ｎ型半導体層２１との間でオーミック接合を形成すると共に、金属の酸化を防止する構成を有している。

ｐ電極４０は、半導体膜２０のｐ型半導体層２２上に形成されている。ｐ電極４０は、例えばＴｉ／Ａｇ／Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕが順次積層された構造を有し、反射電極として機能する。また、ｐ電極４０は、ｐ型半導体層２２との間でオーミック接合を形成すると共に、Ａｇのマイグレーションを防止できる構成を有している。

支持基板３０は、ｐ電極４０に接合されており、ｐ電極４０を介して半導体膜２０が支持基板３０上に載置されている。支持基板３０は、支持基板３０の裏面（底面）から内部に至る凹部が設けられている。そして、当該凹部には、高熱伝導部３１が埋設されている。

支持基板３０には、半導体膜２０（例えば、ＧａＮからなる半導体膜）との熱膨張係数のマッチングなどの諸物性及びコストの観点からＳｉを用いることが好ましい。また、支持基板３０には、Ｇｅ、ＣｕＷ、ＡｌＮ、ＳｉＣやＣｕなどを用いても良い。高熱伝導部３１が埋設される凹部は、例えばドライエッチング、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ：Reactive Ion Etching）、レーザスクライブなどで形成される。半導体膜２０と支持基板３０との接合には、例えばＡｕ／Ｓｎ接合などの共晶接合やＡｕ／Ａｕ接合などの金属／金属接合などを用いることができる。

高熱伝導部３１は、支持基板３０の裏面から支持基板３０の内部に至って埋設され、半導体膜２０の垂直方向においてｎ電極５０に対応した部分に配置されている。また、高熱伝導部３１は、半導体膜２０に平行な面において、ｎ電極５０（第１の電極）の形状に対応した断面形状である矩形環状（又は矩形の枠形状）の断面形状を有している。また、高熱伝導部３１は、半導体膜２０の平行方向及び垂直方向においてｎ電極５０にアライメントされて設けられている。

まず、ｎ電極５０及び高熱伝導部３１の配置について詳細に説明する。図１（ａ）に示すように、ｎ電極５０は、半導体膜２０に平行な面において、幅ａ（図１（ｃ））を有する帯状電極が矩形に形成された矩形環状をなす電極として構成されている。すなわち、矩形状の内周５０Ｉ及び外周５０Ｊによって画定される電極として構成されている。また、図１（ｂ）に示すように、高熱伝導部３１は、半導体膜２０に平行な断面において、ｎ電極５０の形状に対応した断面形状、すなわち矩形環形状を有している。そして、高熱伝導部３１の中心軸（すなわち、当該矩形形状の中心を通り、半導体膜２０に垂直な軸）が、ｎ電極５０の中心軸（すなわち、ｎ電極５０の矩形中心Ｏを通り、半導体膜２０に垂直な軸）と一致するようにアライメント（整列）されて、高熱伝導部３１が設けられている。つまり、高熱伝導部３１は、半導体膜２０の垂直方向（図中、ｚ方向）に延伸する中空直方体形状の埋込部として形成され、高熱伝導部３１の延伸方向（ｚ方向）の中心軸とｎ電極５０の中心軸とが一致するようにアライメントされて設けられている。さらに、埋込部は、その断面が、半導体膜２０に平行な面内（すなわち、ｘ方向及びｙ方向）においてｎ電極５０とアライメントされて設けられている。具体的には、図１（ａ），（ｂ）に示すように、高熱伝導部３１の矩形形状断面の半導体膜２０の平行な面内における向きがｎ電極５０の矩形形状の向きと一致するようにアライメントされている。

さらに、高熱伝導部３１の上記断面における当該矩形環の幅ｄ（図１（ｃ））は、矩形環状のｎ電極５０の幅ａ（図１（ｃ））よりも大きいことが好ましい。また、高熱伝導部３１は、支持基板３０の凹部に支持基板３０よりも熱伝導率の高い高熱伝導材料を充填することで形成される。例えば、高熱伝導部３１の部材には、Ａｕ、Ｃｕ、ＡｌやＡｇなどを用いることが好ましい。高熱伝導部３１の材料は、例えばペースト塗布、蒸着法やスパッタ法などで凹部に充填される。
図２は、図１の破線Ｙによって囲まれた部分を拡大した部分拡大断面図である。図２において、高熱伝導部３１の頂部の半導体膜２０に平行な面における幅ｄについて説明する。支持基板３０内における熱伝導の拡がり角度は、例えば４５度程度に近似される。ｐ電極４０及び高熱伝導部３１が互いに接していない場合には、高熱伝導部３１は、半導体膜２０の面内の放熱性を向上させるために熱伝導の拡がりを考慮した幅ｄを有することが好ましい。すなわち、高熱伝導部３１の上記断面における幅ｄをｐ電極４０と高熱伝導部３１との間の距離ｂに比例してｎ電極５０の幅ａよりも大きくすることが好ましい。

例えば、図２に示すように、高熱伝導部３１の当該断面の幅ｄがｎ電極５０の幅ａに対して両側にそれぞれ幅ｃだけ大きい（すなわち、ｄ＝ａ＋２ｃ）としたとき、上記した熱伝導の拡がりを考慮すると、幅ｃは距離ｂの長さで近似される。例えば、幅ａを１０μｍ、距離ｂを１０μｍとすると、幅ｄは２０μｍ（ｃ＝１０μｍ）である。また、高熱伝導部３１が支持基板３０を貫通しており、高熱伝導部３１がｐ電極４０に接している場合（図示せず）には、ｃ＝０μｍである。

高熱伝導部３１は支持基板３０が半導体膜２０に接合される前に形成されることが好ましい。その場合には、支持基板３０を半導体膜２０に接合するときのアライメント調整によって、高熱伝導部３１は支持基板３０の内部においてｎ電極５０の直下に配置される。また、支持基板３０は、高熱伝導部３１が形成される前に半導体膜２０に接合されても良い。

図３（ａ）〜（ｃ）は実施例１の半導体発光素子１０との比較のための比較例の半導体発光素子１１０を示す図である。半導体発光素子１１０は、半導体膜２０、半導体膜２０のｐ型半導体層２２上に形成されたｐ電極４０、ｎ型半導体層２１上に形成されたｎ電極５０、及びｐ電極４０に接合された支持基板３０を含んだ構造を有している。支持基板３０は支持基板３０の内部に高熱伝導部１３１を有し、高熱伝導部１３１は支持基板３０の内部に、一様な深さの凹部に埋設されて設けられている。すなわち、実施例１のｎ電極５０が矩形環形状を有し、高熱伝導部３１が中空部を有しているのに対し、高熱伝導部１３１の半導体膜２０に平行な面における断面は環形状ではない（中空部を有しない）矩形状であり（図３（ａ））、高熱伝導部１３１は中空部を有していない（図３（ｂ）、（ｃ））。

図４（ａ）は、実施例１の半導体発光素子１０の面内の温度分布Ｅ１Ｔと比較例の半導体発光素子１１０の面内の温度分布ＣＴとの比較を模式的に示すグラフである。縦軸は半導体膜２０の面内の温度を示し、横軸は半導体膜２０の面内方向における位置を示す。

一般に、半導体膜２０に流れる電流は均一ではなく、ｎ電極５０の直下における領域に電流が集中しやすい。また、半導体膜２０は、電流注入によるフォノン散乱や半導体膜２０の抵抗成分によるジュール損失により発熱する。そのため、電流が集中するｎ電極５０の直下の領域における発熱量は半導体膜２０の面内の他の領域よりも高くなる。

図４（ａ）に示すように、比較例の半導体発光素子１１０においては、ｎ電極５０の直下の領域において、上記した電流集中に起因して熱が集中する温度分布特性を有している。すなわち、図４（ａ）に示す面内分布においてｎ電極５０に対応した位置に温度分布の極大点（ピ−ク）が存在する。

一方、実施例１の半導体発光素子１０の面内温度分布Ｅ１Ｔ（図４（ａ）、実線）に示すように、ｎ電極５０の直下の領域（すなわち、ｎ電極５０に対応した領域）における熱集中は緩和されている。更に、実施例１における半導体発光素子１０の面内における温度差は比較例の半導体発光素子１１０の面内における温度差よりも小さい。従って、実施例１の半導体発光素子１０においては、比較例の半導体素子１１０よりも半導体膜２０の面内の熱集中は抑制され、温度分布の均一性が高い。

図４（ｂ）は、実施例１の半導体発光素子１０の面内の発光効率Ｅ１Ｅと比較例の半導体発光素子１１０の面内の発光効率ＣＥとの比較を模式的に示すグラフである。縦軸は半導体膜２０の面内の発光効率を示し、横軸は半導体膜２０の面内方向における位置を示す。半導体膜２０の面内において熱が集中している領域では、フォノン散乱や放射再結合による相互作用が強くなり発光効率は低下する。

比較例の半導体発光素子１１０の面内の発光効率ＣＥ（実線で示す）に示すように、比較例の半導体発光素子１１０においては、ｎ電極５０の直下の領域に発光効率の極小点（ボトム）が存在する。すなわち、比較例の半導体発光素子１１０においては、面内の発光効率は、ｎ電極５０の直下において最も低くなる。また、上記したように、半導体膜２０の面内の温度差が大きいので、ｎ電極５０の直下における領域と素子の中央部・側方部との間において、半導体膜２０の面内の発光効率の不均一性は大きくなっている。

一方、実施例１の半導体発光素子１０の面内の発光効率Ｅ１Ｅ（図４（ｂ）、実線）に示すように、実施例１の半導体発光素子１０においては、比較例の半導体発光素子１１０において見られたｎ電極５０の直下の領域における発光効率の極小点（ボトム）が改善されている。また、半導体膜２０の面内の温度差が小さくなることから、半導体膜２０の面内の発光効率の差は小さくなっている。つまり、実施例１における半導体発光素子１０においては、面内の発光効率の不均一性は低減される。また、発光効率の均一性が改善されるので、素子の信頼性も向上する。

上記においては、ｎ電極５０が矩形環状をなす帯状電極として構成されている場合について説明したが、一般に、ｎ電極５０（第１の電極）が帯状電極部を有する電極として構成されていればよい。この場合、高熱伝導部は、半導体膜２０に平行な面において帯状電極部の相似形状（合同形状を含む）であって帯状電極部以上の幅の断面を有して半導体膜２０の垂直方向に延伸する埋込部を含み、埋込部は半導体膜２０の平行方向及び垂直方向において帯状電極部にアライメントされて設けられている。換言すれば、半導体膜２０の平行な面（図１、ｘ−ｙ平面）における高熱伝導部３１の断面形状とｎ電極５０（第１の電極）の形状とが当該平行方向（すなわち、ｘ方向及びｙ方向）に関して同一の向きを向くように配されている。従って、ｎ電極５０（第１の電極）を当該平行面上に垂直に投影したとき、ｎ電極５０の形状は高熱伝導部３１の断面形状内に包含される（合同形状の場合には一致する）ように高熱伝導部３１及びｎ電極５０（第１の電極）が配されている。

例えば、ｎ電極５０は、図５に示すように互いに分離した２つの帯状電極部５０ａ、５０ｂから構成されていてもよい。帯状電極部５０ａ、５０ｂは、直線状の同一形状（すなわち、同一の長さ及び幅）を有し、互いに平行かつ対向して配されている。換言すれば、帯状電極部５０ａ、５０ｂは、長方形の対向する２辺上に配されている。そして、高熱伝導部３１は、例えば半導体膜２０に平行な面において帯状電極部５０ａ、５０ｂの形状に対応した断面形状を有している。すなわち、高熱伝導部３１は、半導体膜２０に平行な面においてそれぞれが帯状電極５０ａ、５０ｂの相似形状であって帯状電極部５０ａ、５０ｂの幅（ａ）以上の幅（ｄ）の断面を有しており（すなわち、拡大した相似形状又は合同形状）、半導体膜２０の垂直方向に高熱伝導部３１の全体に亘って一定の断面形状で延伸する２つの直方体形状の伝導部（埋込部）３１ａ、３１ｂを含んでいる。そして、直方体形状の伝導部（埋込部）３１ａは、その延伸方向（ｚ方向）の中心軸、及びその断面の長軸及び短軸（縦方向及び横方向）がそれぞれ帯状電極５０ａの中心軸（すなわち、帯状電極５０ａの中心を通り、帯状電極５０ａに垂直な軸）に一致するように設けられている。また、直方体形状の伝導部（埋込部）３１ｂについても同様である。なお、高熱伝導部３１は、帯状電極部５０ａ、５０ｂのいずれか１つに対応して設けられていても良い。すなわち、直方体形状の伝導部（埋込部）３１ａ、３１ｂのいずれか１つが設けられていてもよい。また、一般に、互いに分離した帯状電極部が複数設けられていてもよい。この場合、当該複数の帯状電極部は同一の形状を有し、例えば素子の中心を対称点として点対称に配置されていることが好ましい。

さらに、上記した実施例においては、ｎ電極５０（第１の電極）が、半導体膜２０に平行な面において矩形（四角形）環状をなす電極として形成されている場合について説明したが、ｎ電極５０の形状はこれに限らない。一般に、多角形環形状の電極として形成されていてもよい。この場合、高熱伝導部３１は、その中心軸がｎ電極５０（第１の電極）の多角形環形状の中心軸と一致するようにアライメントされて配置され、半導体膜２０に平行な断面が当該多角形環形状を有する中空多角柱形状の埋込形状を有するように形成される。また、ｎ電極５０（第１の電極）は円環形状の電極として形成されていてもよい。この場合、高熱伝導部３１は、その中心軸がｎ電極５０（第１の電極）の円環形状の中心軸と一致するようにアライメントされて配置され、半導体膜２０に平行な断面が当該円環形状を有する中空円柱形状の埋込形状を有するように形成される。

なお、付言すれば、図１で示したｎ電極５０は、図６において破線で示すように帯状電極部５０ａ、５０ｂ、５０ｃ、５０ｄを４辺とする中空矩形状の電極と見なすこともできる。この場合、高熱伝導部３１は、４つの帯状電極部に対応する４つの直方体形状の伝導部を合成した中空直方体形状の埋込部として形成されているとみなすことができる。さらに、一般に、ｎ角形（ｎは３以上）環状をなす電極又は円環状をなす電極は、それぞれｎ個の帯状電極部又は複数の円弧状の帯状電極部から構成されているとみなすことができる。すなわち、種々の形状をなす帯状電極は、当該帯状電極を構成する複数の帯状部分（帯状電極部）の合成又は結合からなり、高熱伝導部は、各帯状電極部に対応する埋込部を合成又は結合した埋込形状を有するとみなすことができる。なお、当該埋込部の各々は、半導体膜に平行な面において帯状電極部の相似形状であって帯状電極部以上の幅の断面を有して半導体膜の垂直方向に延伸し、半導体膜の平行方向及び垂直方向において帯状電極部にアライメントされて配置されている。

なお、例えば、ｎ電極５０は、一定の幅を有する完全な帯状又は環状ではなく、全体として帯状と又は環状して形成されていればよい。例えば、当該帯状又は環状の周縁部、内周又は外周の一部に切り欠き部があっても良く、又は凹凸が設けられていてもよい。

図７に本発明の実施例２である半導体発光素子１０ａを示す。図７（ａ）は半導体膜２０、支持基板３０、電極５０の配置を模式的に示す平面図である。図７（ｂ）は支持基板１０ａの主面の垂直方向から見た場合の平面図である。図７（ｃ）は図７（ａ）のＷ−Ｗ線に沿った断面図である。

図７（ｃ）に示すように、半導体発光素子１０ａは、半導体膜２０、半導体膜２０上に形成された第２の電極４０、及び第２の電極４０に接合された支持基板３０を含んだ構造を有している。半導体膜２０は、第１導電型の第１の半導体層２１、第２導電型の第２の半導体層２２、第１の半導体層２１と第２の半導体層２２との間に設けられた発光層２３、を含んでいる。なお、実施例１の場合と同様に、第１導電型、第２導電型がそれぞれｎ型、ｐ型であり、第１の電極５０、第２の電極４０がそれぞれｎ電極、ｐ電極である場合について説明する。実施例２における半導体発光素子１０ａは、実施例１で示した半導体発光素子１０と同じ構造を有し、同符号を付して説明を省略する。支持基板３０は、支持基板３０の裏面（底面）から内部に至る凹部が設けられている。そして、当該凹部には、高熱伝導部３２が埋設されている。

図７（ａ）に示すように、ｎ電極５０は、実施例１と同様に、半導体膜２０に平行な面において、幅ａを有する帯状電極が矩形に形成された矩形環状をなす電極として構成されている。また、図７（ｂ）、（ｃ）に示すように、高熱伝導部３２は、支持基板３０とｐ電極４０との接合面に向かって支持基板３０の裏面から単調に窪んだ凹形状３２ａと、上記実施例１における埋込部の形状（すなわち、中空直方体形状）３２ｂとの合成形状を有して支持基板３０に埋設されている。すなわち、実施例１と同様に、当該埋込部（中空直方体形状）は、半導体膜２０の平行方向及び垂直方向においてｎ電極５０にアライメントされて設けられている。また、当該単調に窪んだ凹形状は、円錐形状の凹部として形成され、当該円錐の中心軸はｎ電極５０の矩形中心と一致するようにアライメントされている。当該埋込部（中空直方体形状）及び凹部は、支持基板３０よりも熱伝導性が高い材料で充填されている。

図８に示す半導体発光素子２１０及び３１０を参照し、素子の中央部における熱集中について説明する。図８（ａ）は、半導体発光素子２１０の支持基板３０の熱伝導経路を模式的に示す断面図である。図８（ｂ）は、高熱伝導部３３１を含む半導体発光素子３１０の断面図である。図８（ｃ）は、図８（ａ）に示す半導体発光素子２１０と図８（ｂ）に示す半導体発光素子３１０との面内の温度分布の比較を模式的に示す図である。

図８（ａ）に示すように、半導体発光素子２１０においては、支持基板３０には高熱伝導部が設けられておらず、一様な材質からなっている。半導体膜２０の側方部近傍から発生する熱Ａは、支持基板３０の深さ方向及び支持基板３０の側面方向（半導体膜２０の面方向）に伝導される。しかしながら、半導体膜２０の中央部近傍から発生する熱Ｂは、支持基板３０の側面方向に伝導され難く、主に支持基板３０の深さ方向に伝導される。従って、かかる熱伝導に起因して半導体膜２０の面内の中央部の放熱性が悪くなる。つまり、面内の温度分布Ｓ１（図８（ｃ）、破線）に示すように、熱伝導に起因する温度分布は、中央部において温度が極大となり、支持基板３０の側面方向に単調に減少する分布を呈する。

図８（ｂ）に示すように半導体発光素子３１０には、支持基板３０の内部に高熱伝導部３３１が設けられている。高熱伝導部３３１は、支持基板３０とｐ電極４０との接合面に向かって支持基板３０の裏面から単調に窪んだ凹形状を有している。具体的には、当該単調に窪んだ凹形状は、円錐形状の凹部として形成され、当該円錐の中心軸はｎ電極５０の矩形中心と一致するようにアライメントして配置されている。また、当該円錐の底面はｎ電極５０を覆う大きさを有していることが好ましい。

図８（ｃ）の温度分布Ｓ２（実線）に示すように、高熱伝導部３３１が設けられている半導体発光素子３１０の場合（図８（ｂ））、中央部からの熱消散が改善され、面内の温度分布が均一化される。

図９（ａ）は、実施例２の半導体発光素子１０ａの面内の温度分布Ｅ２Ｔ（実線）と比較例の半導体発光素子１１０の面内の温度分布ＣＴ（破線）との比較を模式的に示すグラフである。縦軸は半導体膜２０の面内の温度を示し、横軸は半導体膜２０の面内方向における位置を示す。比較例の半導体発光素子１１０の面内の温度分布ＣＴは、図４（ａ）の破線で示したものと同じであるので、その説明を省略する。

実施例２の半導体発光素子１０ａの温度分布Ｅ２Ｔ（図９（ａ）、実線）を実施例１の温度分布Ｅ１Ｔと比較すると、実施例１の場合よりも均一な温度分布が得られている。すなわち、実施例１と同様の埋込部（中空直方体形状）によって、ｎ電極５０に対応した領域における熱集中（ピーク）は緩和される。また、単調に窪んだ凹形状（円錐形状）の埋込部（高熱伝導部）によって中央部からの熱消散が改善される。従って、面内の温度分布がさらに均一化されている。

また、図９（ｂ）は、実施例２の半導体発光素子１０ａの面内の発光効率Ｅ２Ｅ（実線）と比較例の半導体発光素子１１０の面内の発光効率ＣＥ（破線）との比較を模式的に示すグラフである。比較例の半導体発光素子１１０の面内の発光効率ＣＥ（図９（ｂ）、破線）は、図４（ｂ）の破線で示したものと同じであるので、その説明を省略する。実施例２の半導体発光素子１０ａの発光効率Ｅ２Ｅを実施例１の温度分布Ｅ１Ｅと比較すると、実施例１の場合よりも均一な発光効率分布が得られている。すなわち、ｎ電極５０に対応した領域の温度低減及び単調に窪んだ凹形状（円錐形状）の埋込部による素子中央部の温度低減によって面内の発光効率分布が実施例１の場合よりもさらに均一化される。

さらに、ｎ電極５０（第１の電極）が、点対称な形状の、例えば実施例１において説明したような多角形環状又は円環状をなす電極、又は点対称に配置された帯状電極からなる場合には、電流集中に起因する熱集中と熱伝導に起因する熱集中とは相乗効果によってさらに増強されるので、温度分布及び発光効率分布は更に不均一となる。しかしながら、実施例２によれば、電流集中及び熱伝導に起因する熱集中を顕著に抑制する効果が得られる。

なお、比較的高い抵抗を有するＧａＮ系の半導体膜２０を用いる場合において、ｎ電極５０（第１の電極）の直下の領域に電流が特に集中しやすいことが知られているが、本発明の実施例の半導体発光素子１０及び１０ａにおいては、ＧａＮ系の半導体膜２０を用いる場合、発光効率の面内均一性や素子の信頼性等の素子特性を向上させるために特に有効である。

また、比較例の半導体発光素子１１０に高電流を注入すると、面内の発熱量は更に高くなり、面内の温度差も更に大きくなる。従って、面内の温度が更に高くなった領域の発光効率が低下し、素子の信頼性も低下する。そして、面内の発熱量が更に高くなることで、例えばｐ型半導体層とｐ電極との間の金属の粒形が変化し、電極界面の接触抵抗が大きくなるという問題も生じる。従って、素子のジュール損失は大きくなり、素子が発熱によって破壊される場合も生じる。

すなわち、本発明の実施例においては、高電流駆動を行う場合であっても、面内の発熱量が抑制され、面内の温度差も小さくなる。従って、高電流駆動を行う場合であっても、発光効率の面内均一性が改善され、素子の信頼性も改善される。また、上記したように、半導体層と電極との間の接触抵抗が大きくならないため、素子が発熱によって破壊されることも防止される。つまり、本発明によれば、高電流駆動を行う場合であっても、発光効率の面内均一性が高く、信頼性が高い素子を提供することができる。

なお、上記した実施例においては、シン・フィルム構造の素子を例として説明したが、フリップ・チップ構造の素子にも適用することができる。また、第１導電型、第２導電型はそれぞれｐ型、ｎ型であり、第１の電極５０、第２の電極４０はそれぞれｐ電極、ｎ電極であっても良い。第１の電極５０の形状は、上記した形状に限定されず、帯状の電極部からなる種々の形状を有していても良い。また、単調に窪んだ凹形状が円錐形状の場合について説明したが、これに限定されない。すなわち、素子中央部に集中する熱を側方部に消散させる形状であればよい。例えば、切頭円錐形状、楕円錐形状、切頭楕円錐形状、錐台形状、切頭錐台形状などであってもよい。また、半導体膜２０や支持基板３０の形状は、上記した直方体形状に限定されず、多角柱、円柱や楕円柱形状であっても良い。

１０半導体発光素子
２０半導体膜
２１第１の半導体層
２２第２の半導体層
２３発光層
３０支持基板
３１，３１ａ，３１ｂ，３２高熱伝導部
４０第２の電極
５０第１の電極

Claims

第１導電型の第１の半導体層と、第２導電型の第２の半導体層と、前記第１の半導体層と前記第２の半導体層との間に設けられた発光層と、を含む半導体膜と、
前記第１の半導体層上の一部に形成された第１の電極と、
前記第２の半導体層上に形成された第２の電極と、
前記第２の電極に接合された支持基板と、を有し、
前記支持基板は、前記支持基板よりも熱伝導性が高く、前記支持基板の裏面から内部に至って埋設された高熱伝導部を有し、前記高熱伝導部は、前記半導体膜に平行な面において前記第１の電極の形状に対応した断面形状を有するとともに、前記半導体膜の平行方向及び垂直方向において前記第１の電極にアライメントされて設けられ、
前記第１の電極は帯状電極部を有し、前記高熱伝導部は、前記半導体膜に平行な面において前記帯状電極部の相似形状であって前記帯状電極部以上の幅の断面を有して前記半導体膜の垂直方向に延伸する埋込部を含み、前記埋込部は前記半導体膜の平行方向及び垂直方向において前記帯状電極部にアライメントされて設けられていることを特徴とする半導体発光素子。
前記第１の電極は前記帯状電極部を複数有し、前記高熱伝導部は各々が前記帯状電極部の各々に対応する前記埋込部を複数有することを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
当該複数の帯状電極部は直線状の同一形状を有し、互いに平行かつ対向して配されていることを特徴とする請求項２に記載の半導体発光素子。
前記第１の電極は３以上の前記帯状電極部から構成されて前記第１の半導体層の面上において多角形環をなす電極として形成され、前記埋込部は中空多角柱の埋込形状をなすことを特徴とする請求項２に記載の半導体発光素子。
前記第１の電極は複数の円弧状の前記帯状電極部から構成されて前記第１の半導体層の面上において円環をなす電極として形成され、前記埋込部は中空円柱の埋込形状をなすことを特徴とする請求項２に記載の半導体発光素子。
前記高熱伝導部は、前記支持基板と前記第２の電極との接合面に向かって前記支持基板の裏面から単調に窪んだ凹形状と前記埋込部の形状との合成形状を有して前記支持基板に埋設されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１に記載の半導体発光素子。
前記単調に窪んだ凹形状は円錐形状又は切頭円錐形状であることを特徴とする請求項６に記載の半導体発光素子。
前記高熱伝導部は、前記支持基板の裏面から内部に向かって窪んだ円錐形状又は切頭円錐形状と前記埋込部の形状との合成形状を有し、前記円錐形状又は切頭円錐形状の中心軸が前記埋込部の中心軸と一致するように形成されていることを特徴とする請求項３ないし５のいずれか１に記載の半導体発光素子。