半导体材料作为制造光电器件的基本材料,经过一系列化学反应、提纯、拉制、掺杂等加工工艺制成各种半导体元器件,广泛应用在微电子、光伏能源、光电集成等各个领域。随着半导体器件小型化的发展趋势,精确地控制半导体材料中掺杂剖面分布是实现器件特定性能的关键步骤,这对半导体材料和器件的检测技术提出了更严苛的要求。因此,发展无损、非接触、快速、高灵敏度的半导体检测技术是十分必要的。本文基于光载流子辐射测量技术,考虑光载流子辐射信号非线性特性和系统频率响应函数测量误差的影响,发展了两层非线性光载流子辐射理论,提出了两层非线性光载流子辐射技术和差分非线性光载流子辐射技术,对半导体材料非线性系数、离子注入层参数进行定量表征,拓宽了光载流子辐射技术应用范围,主要工作概括如下:一、建立了两层非线性光载流子辐射理论,并对其可行性进行实验验证。首先针对离子注入半导体,在已有两层线性模型基础上,考虑激励源直流分量,求解了非平衡载流子浓度的三维空间分布,进一步结合修正的普朗克辐射定律,建立了两层非线性光载流子辐射理论模型;其次,搭建了光载流子辐射实验系统,通过激励光强度扫描方法及幂函数经验公式对离子注入硅片非线性系数进行了测量研究,结果表明非线性系数和离子注入剂量成负相关,且受激励光波长影响;最后,开展了离子注入硅片频域光载流子辐射实验测量研究,并运用两层非线性光载流子辐射模型进行拟合,证实两层非线性光载流子辐射技术降低了非线性效应对拟合结果的影响,尤其是对非线性系数大的样品,验证了技术可行性。二、开展了两层非线性光载流子辐射技术对离子注入硅片特性测量的应用研究,实现了离子注入剂量检测。基于两层非线性光载流子辐射理论,通过优化目标函数,开展了离子注入硅片不同激发光功率下的频域光载流子辐射实验测量研究,进一步验证了离子注入硅片的非线性特性;运用两层非线性光载流子辐射方法对离子注入硅片注入层参数进行测量研究,结果表明随离子注入剂量增加,载流子寿命和扩散系数迅速下降,离子注入层厚度和前表面复合速度迅速增加;同时与基于SRIM程序组计算结果进行对比分析,结合灵敏度分析方法,结果表明两层非线性光载流子辐射技术提取的最佳注入层厚度可用于准确确定离子注入诱导的电学损伤阈值,验证了测量可靠性。三、建立了差分非线性光载流子辐射理论,并对其可行性进行实验验证。分析了现有系统频率响应减法的弊端,在此基础上,提出基于两层非线性光载流子辐射理论的可完全扣除系统频率响应函数的差分非线性光载流子辐射测量方法;进一步运用差分非线性光载流子辐射方法测量离子注入硅片注入层参数,并与基于系统频率响应函数减法的两层非线性光载流子辐射方法测量结果进行对比分析,结果表明差分非线性光载流子辐射技术完全消除了原始光载流子辐射信号中系统频率响应函数的影响,较高精度提取了注入层参数,验证了技术可行性。四、开展了差分非线性光载流子辐射技术的应用研究,实现了超浅结注入能量检测和单晶硅表面复合速度高精度测量。第一,基于差分非线性光载流子辐射方法对超浅结特性进行测量研究,简化了参考样品,实现了注入层参数快速测量,结果表明超浅结纳米级结深和电学特性随注入能量增加而单调增加,测量浅结厚度与SRIM程序组计算结果一致性良好,验证了测量可靠性。第二,基于相对灵敏度系数公式,对差分、单层非线性光载流子辐射模型中多个待测参数的测量灵敏度进行分析,进一步开展了单晶硅频域光载流子辐射实验测量研究,运用差分非线性光载流子辐射模型进行拟合,并与单层非线性光载流子辐射方法测量结果进行对比分析,结果表明差分非线性光载流子辐射方法在不影响载流子寿命和扩散系数可靠性前提下,实现了对单晶硅前、后表面复合速度准确测量,验证了测量可靠性。综上所述,本文发展了两层非线性光载流子辐射技术和差分非线性光载流子辐射技术,实现了半导体加工工艺参数检测,为工业半导体制造领域的在线监测提供了潜在的应用前景。