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垂直腔面发射半导体激光器由于具有阈值电流低，输出光斑对称性好，模式稳定，高温工作稳定性好等特点，是近年来逐步发展起来的低功耗高精度芯片级原子钟计时系统中的关键驱动光源。芯片级原子钟系统要求垂直腔面发射半导体激光器光源的阈值电流在mA量级，并且工作环境为高温环境（65℃-80℃）。针对该应用需求，本论文主要围绕高温工作795nm波段垂直腔面发射半导体激光器的高温工作性能分析，器件结构优化及工艺制作等方面进行了研究。本论文主要研究内容和成果如下：1、针对高温工作环境，设计了增益—腔模失配型VCSEL器件结构。设计方案如下：首先对高温工作VCSEL器件的有源区结构进行了详细的理论设计，其中包括对高温下载流子的限制情况进行理论分析，设计了高势垒有源区结构；并对量子阱有源区的增益特性随器件工作温度的变化进行了理论分析。其次对VCSEL器件的两侧DBR及器件腔模进行了设计。主要包括VCSEL内部DBR的反射率优化，对高温环境下垂直腔面发射半导体激光器内部DBR的反射特性以及器件腔模进行详细分析设计。所设计的VCSEL有源区采用8nmAl0.09Ga0.91As/8nm Al0.36Ga0.64As结构，室温增益谱峰值在779nm，VCSEL室温腔模为790nm，两侧DBR反射率乘积在98.5%-99%。2、分析了半导体激光器的有源区产热机制，并建立了基于载流子注入产热机制的半导体激光器热源计算模型，用于优化VCSEL器件工艺结构。将该模型与COMSOL软件的焦耳热模型相结合，分析了边发射半导体激光器工作时的内部温升情况，通过实验测试，发现理论分析与实际测量结果最大偏差低于0.5K，证实了该模型的可靠性；利用该模型分析对比了自平坦化台面结构与传统圆形台面结构的VCSEL器件内部热分布情况，理论分析证明，自平坦化台面结构可以有效提高垂直腔面发射半导体激光器的热扩散能力，相比传统的圆形台面结构，该结构在制作高温工作VCSEL时更具有优势。3、采用自平坦化台面结构制作了不同氧化口径的高温工作VCSEL器件。所制作的7μm氧化口径VCSEL的最小阈值电流为2mA，并且随着温度的升高阈值电流呈现出先降低后升高的变化趋势，这与增益-腔模失配型VCSEL器件结构设计理论预测相一致，80℃时器件在注入电流为5mA时出光波长为795.2nm，光谱半宽0.09nm，基本特性已经达到预期指标。4、为提高高温工作原子钟用VCSEL的模式特性，提出了在出光侧DBR上面集成微透镜结构的想法并进行了相关实验。所制作的35μm口径DBR微透镜结构曲率半径在500μm左右，表面平整度在nm量级，为下一步直接在器件上面集成该结构奠定了基础。另外，还提出在该结构的基础上进一步集成外部反馈腔及外腔镜结构，以实现进一步压缩器件光谱线宽的目的，提高VCSEL在原子钟应用方面的性能。