一种微纳级半导体光电特性三维检测系统，根据本发明的微纳级半导体光电特性三维检测系统包括：光信号激励源/CCD显微镜1，用于为晶圆4提供光激励输入信号，并提供机器视觉；IV/CV/脉冲/噪声测量装置12，用于对晶圆4提供激励信号并采集被测晶圆4输出信号；超低温环境水汽检测循环除湿装置13，用于检测并降低低水汽含量；大跨层温度控制装置14，为被测晶圆提供宽温环境；微弱信号提取单元11，用于测量被测晶圆输出的微弱信号；双重针压检测装置3及探针2，用于接触晶圆并对准位置及接触面；卡盘5，用于承载被测晶圆；四轴移动台体6，用于XYZ轴线性移动和R轴旋转移动；密封屏蔽暗箱7，用于为被测晶圆提供稳定的光暗、温湿度测试环境；控制计算机和数据分析软件15，用于实现系统的一体化协调控制，被测晶圆检测数据的处理及分析。根据本发明的微纳级半导体光电特性三维检测系统可实现高精度、高可靠的高低温条件下自动化的半导体光电特性三维检测。