半导体材料是微电子器件和光伏器件的基础材料,其杂质和缺陷特性严重影响器件性能。伴随微电子器件集成度和光伏器件转化效率的提高,对半导体原材料的要求也越来越高。为了满足工业化生产的需求,相应地要求材料检测方法具有更高的测量灵敏度和更快的测量速度,同时避免对材料产生损伤。因此,本文主要围绕半导体材料特性的全光学无损伤检测技术进行研究。本文首先从光载流子产生、复合和输运机制出发,深入理解载流子动力学行为。通过求解载流子输运方程得到光激发载流子浓度的三维空间分布和与调制频率的变化关系。根据普朗克辐射定律,推导了室温下光载流子辐射信号产生的理论模型表达式,得到了光载流子辐射信号与材料的载流子输运参数的关系。在传统线性光载流子辐射理论模型基础上,建立了较为完善的非线性光载流子辐射理论模型,并从理论仿真和实验测量两个方面对光载流子辐射信号功率非线性效应进行分析。在光载流子辐射测量系统中,频率响应测量误差对参数测定具有较大的影响,因此对这一问题进行了详细分析,在此基础上提出了一种用以消除系统频率响应的多光斑尺寸光载流子辐射技术。对该技术的理论原理进行了推导,并对载流子输运参数的测量灵敏度进行了仿真分析,最后将该技术应用于半导体单晶硅样品载流子输运参数的测量。理论和实验结果证实该技术可以消除系统频率响应函数测量误差的影响,提高载流子输运参数的测量精度。除了测量精度外,测量速度也是限制光载流子辐射技术工业在线检测应用的因素之一,为了简化测量装置,提高载流子输运参数的测量速度,提出了稳态光载流子辐射成像技术。理论仿真分析了样品参数对测量信号的影响,将该技术应用到单晶硅样品的载流子输运参数测量,并与提出的多光斑尺寸光载流子辐射技术进行比较分析,仿真和对比实验均证实了该技术是一种简单快速有效的表征半导体材料特性的方法。此外,将该技术应用于离子注入及退火工艺中参数的监测。在应用方面,将光载流子辐射技术推广应用于太阳能电池单晶硅材料中的光诱导缺陷问题的研究和超浅结的脉冲激光退火工艺的监测。首先采用该技术对表面态占据效应对光诱导缺陷产生动力学的影响进行了分析,结果表明光照下样品表面复合行为将影响光诱导缺陷的产生率,且与载流子浓度和载流子分布情况相关。另外,在超浅结的脉冲激光退火工艺监测方面,通过理论仿真和实验测量对准分子脉冲激光退火工艺中常用参数进行分析,包括脉冲能量密度,脉冲数和脉冲重复率等,结果证实离子注入引入的杂质和损伤在激光退火下可以得到明显修复,且与退火工艺参数密切相关,同时脉冲激光退火不会导致明显的掺杂离子扩散现象。