垂直腔面发射激光器（Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser，VCSEL）是光纤通信系统中应用的重要光源之一，1310nm VCSEL器件能够满足当前大容量、千兆比特速率城域网的需求。然而，它的发展却受到了InP基分布布拉格反射腔镜（DistributedBragg Reflector，DBR）反射率低的限制。为了突破这个限制，诸如InP／GaAs异质兼容、InP基锑化物DBR和GaAs基有源材料生长等多项技术被应用于1310 nm VCSEL的研制，器件性能取得了一定的进展。本论文设计了一种混合型1310nm VCSEL结构，它由SiO₂／TiO₂介质膜DBR、GaAs基GaAs／AlAs半导体DBR以及处于它们之间的InP基InAsP／InGaAsP应变补偿多量子阱有源材料组成。我们通过VCSEL器件结构的优化设计、材料生长、晶片直接键合及其器件工艺，研制出了1310nm VCSEL激光器件，主要的研究工作如下：1．VCSEL器件结构的设计，主要包括有源区、共振腔结构以及载流子注入三个方面。采用有效质量模型计算了InAsP／InGaAsP应变补偿量子阱的能带结构，从获取最大电子限制能量角度设计量子阱结构参数。根据周期性结构的光束反射规律，给出一种设计VCSEL共振腔结构的直观方法，并结合基于传递矩阵法的反射光谱和光场分布计算，设计出SiO₂／TiO₂ DBR—共振腔—GaAs／AlAs DBR型VCSEL结构。通过阈值特性分析，得出为了降低阈值电流腔镜反射率与量子阱数目之间所满足的关系，并提出优化VCSEL器件性能方案。载流子注入效率是影响器件性能的重要因素之一，我们自洽求解了泊松方程和扩散方程，得到不同结构电流注入区下有源区中的载流子分布，分析得出载流子均匀注入有源区的有效途径。2．基于降低材料光学吸收和提高电导性能两方面的考虑，我们优化了GaAs／AlAs DBR的n型掺杂，并采用气态源分子束外延技术，生长了用于键合方法制作1310nm VCSEL结构的GaAs基GaAs／AlAs DBR和包含InAsP／InGaAsP多量子阱的InP基共振腔材料，考虑到VCSEL结构对DBR中心波长和共振腔长度的高控制精度要求，我们采用了法布里-珀罗（Fabry-Perot，F-P）共振腔结构实现DBR中心波长的测量和调节，以及在InP基共振腔中生长InP／InGaAsP超晶格，从而在器件工艺中进行VCSEL腔模的准确控制。3．发明了InP／GaAs晶片直接键合工艺。自主设计、加工了键合实验装置，通过优化键合条件，成功制作了均匀性良好的InP／GaAs键合晶片对。发明了红外光谱表征键合界面均匀性的方法，利用高分辨率X射线衍射仪表征了键合在GaAs衬底上的InP薄膜中的剩余应力，结果表明经过630℃键合的InP薄膜中剩余压应变为0.044％，采用正晶向（001）键合的InP／GaAs结构中<001>轴向偏差为0.11°，说明InP薄膜均匀地键合在了GaAs衬底上。4．直接键合是一个外界压力作用下的高温退火过程，因此有必要研究高温过程对材料特性的可能影响。实验结果表明，键合n型InP／GaAs异质结的势垒高度接近于理论值，通过在键合界面的InP材料中引入超晶格结构以及采用高退火温度的键合方法有利于改善异质结的电学性能。对键合后InAsP／InGaAsP多量子阱的光致发光谱分析表明，该材料体系具有高达650℃热稳定性能，键合后的量子阱仍维持了键合前的发光性能，因而适合于直接键合工艺。然而，高温退火过程导致InP／GaAs键合异质界面的无序化，在VCSEL结构中引入额外光学损耗并使其腔模蓝移，论文中通过键合F-P腔结构并结合光谱模拟得出了光学损耗值，它与VCSEL中的其他损耗来源如隧道结吸收、孔径散射等在同一个数量级；降低退火温度或采用InP／InGaAsP超晶格可有效减小键合界面的光学损耗。5．采用自己设计和生长的InP基量子阱有源区、GaAs基DBR，经过高温直接键合工艺、圆形台面腐蚀、电流孔径制作、金属电极和光学介质DBR沉积等器件工艺，研制出了衬底面发射的1310nm VCSEL器件。该器件在室温脉冲下激射，阈值电流密度为7.6kA／cm²。在阈值附近为单模激射，波长在1288.6nm，半峰宽为0.38nm；大电流注入时呈现出多模特性。多模的出现归因于器件采用了大尺寸电流限制孔径（15μm）。结果分析表明，为了实现室温连续工作的器件性能，需要进行小电流限制孔径制作（＜8μm）、高反射率GaAs基DBR生长、腔模-增益峰位匹配控制等结构设计和器件工艺的优化。本文给出的1310nm VCSEL器件设计方法、隧道结生长、晶片直接键合和电流孔径制作等关键工艺的突破为今后VCSEL器件性能优化打下了良好的基础。