作为表征半导体材料和器件性能的重要物理参数,载流子输运参数(体复合寿命、迁移率、扩散系数、表面复合速率等)的测量受到科研和工业界的广泛关注,是半导体检测领域的热点。光载流子辐射测量(Photocarrier Radiometry, PCR)是一种基于频域锁相检测原理的载流子输运参数测量技术,具有高信噪比、无损、全光、非接触等优点,已经成功应用于多种半导体材料和器件的局域载流子输运参数测量。随着半导体基底材料向着大尺寸的方向发展,局域点检测已经不能满足需求,发展面检测成像技术势在必行。2010年,利用近红外InGaAs相机、以PCR技术为基础的锁相载流子辐射成像技术(Lock-in Carrierography, LIC)应运而生。本论文进一步完善了PCR技术,并在此基础上开展了LIC定量成像技术的研究,主要工作可以概括为以下三个方面。建立了更加完备的PCR理论,完善了PCR测量技术PCR技术是LIC技术的基础,传统的PCR理论没有考虑信号的非线性特性,本论文深入分析了PCR信号的非线性特征,建立了两套理论模型：幂函数模型和n-p product模型。前者是从部分实验现象中总结出的经验规律；后者基于严格的光载流子复合理论,从完备的非线性偏微分方程组出发推导得出。理论分析和实验研究结果表明,n-p product模型能更准确地描述信号的非线性特征,是更加完善的PCR理论模型。此外,建立了PN结太阳能电池在开路和短路状态下的PCR解析理论,通过理论模型对实验数据的拟合,首次实现了PCR技术对多晶硅太阳能电池的硅基载流子体寿命测量。同时,建立了等效载流子寿命模型,得到了等效载流子寿命同载流子输运参数之间的解析关系,并区分了稳态和频域模式所测得的不同寿命,为不同检测技术的测量结果提供了可比性的理论依据。基于实验中测得的单晶硅片的载流子输运参数,估算出等效载流子寿命,同微波光电导衰减技术的测量结果一致。二、建立了低频LIC定量成像方法,实现了单晶硅片的等效载流子寿命成像首先建立了LIC成像系统中相机的相位信号校准方法。相机记录的原始数据显示,始终存在一个系统附加相位叠加在真实信号上。采用白纸作为零相位滞后反射体,记录相机在不同光学密度的中性衰减片下的相位和幅度信息,对每一个像素点的数据进行分析,得到了相机相位校准矩阵。实验结果表明该校准方法可以准确恢复相位信号。基于上述相位校准方法,在不同调制频率下,得到了单晶硅片的LIC相位图像。利用所建立的频域等效载流子寿命理论模型,对相机每个像素点的相位频率数据进行拟合,得到该点的等效载流子寿命,最终实现了单晶硅片的等效载流子寿命分布成像。三、提出了外差LIC原理,利用非线性混频,突破了相机采样速率的瓶颈,实现了高频LIC成像受近红外相机帧率和曝光时间的限制,在传统锁相模式下,相机无法实现对高频信号的采样。成像频率的瓶颈导致无法区分载流子的表面复合和体复合寿命,同时也无法实现深度选择性成像,这使得频域技术的独特优势无法在LIC技术中发挥。本论文提出外差锁相成像方法,基于载流子辐射复合信号的非线性特性,利用非线性混频,构造出了携带高频信息的低频信号分量,该低频信号可以很好地被相机记录,从而实现了从低频(100Hz)到高频(20kHz)的外差LIC成像,突破了近红外相机采样速率的限制。其次,建立了外差PCR理论,解释了外差信号产生的物理机理,并对实验测得的单晶硅片的外差频率响应数据进行拟合,得到了载流子输运参数。拟合结果同传统零差PCR技术测得的结果一致性很好。同时,利用零差和外差LIC成像系统,实现了对多晶硅太阳能电池从10Hz到20kHz的锁相成像。建立了硅太阳能电池在开路状态下的外差PCR解析理论,利用理论模型对相机记录的外差幅度频率响应数据的拟合,实现了外差LIC技术对太阳能电池的硅基载流子体寿命的测量。LIC不仅有望为微电子、光电子、传感器、光伏能源等半导体材料科学领域的基础创新研究服务,而且具有广阔的工业在线无损检测应用前景。