理论分析了温度对垂直腔面发射半导体激光器(VCSEL)工作性能的影响，利用VCSEL的增益腔模失配理论设计了适用于高温环境下工作的VCSEL外延结构并对该结构进行了外延生长及工艺制备。理论分析表明，采用势垒高度大于0.25 eV的量子阱有源区结构可以缓解高温工作时器件的载流子泄漏问题。设计了室温下增益腔模偏离为11 nm的器件结构。理论分析表明，在320 K时与器件腔模对应的增益谱波长具有最大的光增益，此时器件具有最小的阈值电流。对分布式布拉格反射镜（DBR）的反射率进行了优化以进一步减小器件阈值电流。采用了一种自平坦化的台面工艺结构制作了7、9、13 μm三种不同氧化口径的器件，器件在室温下的阈值电流分别为1.95、2.53、2.9 mA，最大出光功率分别为0.31、1.11、1.04 mW，并且输出功率的高温稳定性较好。随工作温度的升高，器件阈值电流先减小后变大，在320～330 K时器件阈值达到最小值，与理论分析一致。