高功率的半导体激光器可以应用在材料加工、激光印刷、激光医疗、激光雷达、激光泵浦、空间激光通讯等诸多领域。而随着外延材料质量的提高和湿法氧化等器件工艺技术的进展，高功率的垂直腔面发射激光器(VCSELs)也迅速发展起来，并以其优越的性能，有望取代传统的边发射激光器。目前，国际上的高功率VCSELs的研究正成为热点，并与列阵技术、外腔技术、腔内倍频技术结合，不仅大幅度提高了输出功率，而且还可以改变输出波长。而国内高功率VCSELs的研究仅处于器件工艺的研究阶段，与国际上的研究水平有较大差距。　　 因此，高功率VCSELs的研制(包括理论设计、材料生长、工艺优化以及与其他技术的结合)，不仅拓宽了国内半导体激光器的研究领域，而且对于打破国外封锁、获取自主知识产权、抢占战略制高点有重要意义。为了打破外国技术封锁，填补国内空白，我们申请了国家自然科学基金重点项目“高功率垂直腔面发射激光器的研究”(60636030)，本论文就是结合此课题开展工作的。　　 本论文具体工作如下：　　 1)利用k·p理论、固体模型理论和Pikus-Bir理论，提出了InGaAs/GaAsP应变补偿量子阱的设计方法，比较了应变补偿结构和普通结构InGaAs/GaAs量子阱的性能，发现应变补偿结构能提供更大的增益和更深的载流子阱，从而更适合作为大功率VCSEL的有源区。　　 2)详细分析了DBR的电学特性，指出利用渐变层可以有效降低P-DBR的串联电阻。利用光学传输矩阵计算了DBR的反射率。设计了VCSEL的光学谐振腔，并计算其纵向光场分布。　　 3)采用自洽的电、光、热模型对小尺寸VCSEL进行模拟。比较了顶部发射和底部发射结构对VCSEL特性的影响，模拟了周期增益结构VCSEL的光电特性，着重分析了出光面DBR对数对VCSEL特性的影响。最后提出了模拟大尺寸VCSEL的方法。提出了提高VCSEL功率转换效率的有效途径。　　 4)对VCSEL的制备工艺进行了优化，得出了稳定的腐蚀条件和侧向湿法氧化条件。　　 5)利用实验室条件制备了980nm VCSEL单管及其列阵，并分析了它们的测试结果。其中列阵为密堆积排列，为国内首次研制成功，其台面尺寸为70μm，出光孔径为30μm，单元中心间隔为100μm。含121个单元的列阵室温连续输出功率为1.45W，50μs、100Hz脉冲下测试，当注入电流为35A时，输出功率达到7.2W。　　 6)为了降低大功率VCSEL的串联电阻，设计了含高掺杂隧道结的VCSEL，利用隧道结的反向注入特性，将P-DBR替换为N-DBR。理论计算表明可以降低30％的串联电阻。仔细设计了高掺杂隧道结在VCSEL中的位置，将其引入的自由载流子光吸收降到最低。