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垂直腔面发射激光器(Vertical-Cavity Surface–Emitting-Lasers,VCSELs)以其低功耗、低阈值电流、高调制速率和低成本制备等优势,现被广泛地应用于超级计算机集群、数据中心等光互连领域。随着移动互联、智能家居、流媒体、云计算等技术的发展,对数据传输速率的要求越来越高。850 nm波段为通信波长,传输损耗低,且850 nm VCSEL外延生长技术成熟,具有高微分增益量子阱结构,调制速率高,因此850 nm VCSEL成为短距离光互连的标准光源。小信号调制带宽在10 GHz以上的高速850 nm VCSEL芯片在国内尚属空白,因此深入研究VCSEL高速调制物理机制以及限制VCSEL高速性能的主要因素,优化VCSEL芯片设计和工艺制备技术,有利于推动高速VCSEL的发展。本文以提高850 nm VCSEL调制带宽为目标,围绕VCSEL高速调制物理机制以及限制VCSEL高速调制性能的主要因素展开了深入研究,提出了双台面同面电极结构850 nm VCSEL,分析了benzocyclobutene(BCB)平坦化技术、台面刻蚀技术、器件热分布以及氧化孔径对850 nm VCSEL高速调制性能的影响,最终在5μm和7μm氧化孔径VCSEL下实现了超过16 GHz的小信号调制带宽。本文主要研究内容如下:1.研究了钝化层介电常数和厚度对调制速率的影响。采用低介电常数的BCB材料代替传统的Si O2钝化层,通过建立双台面同面电极结构VCSEL小信号模型,计算得到电极间电容减小至原来的1/9,寄生截止频率由10.6 GHz提高至17.8 GHz。实验上制备了7μm氧化孔径BCB平坦化VCSEL和Si O2钝化层VCSEL,相比于Si O2钝化层VCSEL,使用BCB平坦化技术的VCSEL调制带宽由9.82 GHz提高至15.2 GHz。2.对比分析了湿法腐蚀和干法刻蚀对VCSEL调制带宽的影响。由于干法刻蚀减小了氧化层横向面积,降低器件的寄生电容,从而提高器件的调制速率。实验上采用湿法腐蚀和干法刻蚀工艺两种台面制备工艺,对于7μm氧化孔径的VCSEL,干法刻蚀VCSEL小信号调制带宽从15.2 GHz提高至16.1GHz。3.研究了热分布对VCSEL高速调制性能的影响。对5μm氧化孔径,下台面直径分别为34μm,38μm,42μm,46μm四种不同的VCSEL,小信号调制带宽随下台面直径增加而增加,46μm下台面直径VCSEL实现了16.2 GHz的-3 d B调制带宽。4.研究了氧化孔径对VCSEL调制特性的影响。制备了氧化孔径分别为3μm,5μm,7μm,9μm,11μm,和13μm的VCSEL,并进行小信号调制带宽测试,结果表明调制速率随氧化孔径先增加后减小,在氧化孔径5μm和7μm下,小信号调制带宽超过16 GHz。通过对调制带宽曲线进行拟合提取动态参数,发现D因子随氧化孔径的增大而减小,由10.6 GHz/m A1/2@3μm,减小至2.95 GHz/m A1/2@13μm,这表明小氧化孔径VCSEL能量损耗低,而大氧化孔径VCSEL由于大电流注入,能实现高调制速率。