在半导体制造业中，随着微电子器件特征尺寸的不断缩小，对半导体材料离子注入工艺要求也越来越苛刻。在半导体材料基底上进行低能(低于5keV)离子注入制备得到具备超浅结特性的材料，才能满足新一代微电子器件的要求。同时，为了解决特征尺寸不断缩小和集成度不断提高带来的功耗和热耗等问题，新型的绝缘上硅材料也应运而生。这些新型半导体的原材料性能直接影响着各种微电子器件的工作特性。为保证器件的性能和质量，对这些半导体原材料特性的检测和监测是必不可少的。而光学检测技术以其快速无损的优点一直是半导体材料测试技术的发展方向，但它的灵敏度和精度稍低。因此本论文主要致力于改进和发展全光无损检测技术，使其适应新型半导体材料的发展方向。文中主要以光生载流子辐射测量技术、自由载流子吸收技术和光致发光技术为测量手段。本文将以频域的光生载流子辐射和自由载流子吸收理论为基础，提出准时域的光生载流子辐射和自由载流子吸收模型。理论中把半导体样品看成一个信号处理系统，以方波调制的激励光为输入信号，检测由载流子调制后的输出信号变化，分析了样品系统的线性和非线性特性。并在线性近似下，采用准时域信号拟合得到了载流子有效寿命。建立了采用光生载流子辐射测量得到的振幅信号、载流子有效寿命及暂态时域信号来综合分析样品的方法。对B~+、P~+和As~+离子注入并退火的样品进行了测量，并分析了不同注入剂量、不同注入能量及不同退火温度对样品的光学、电学及结构特性的影响。另外，对超浅结样品进行了相应的光致发光和光生载流子辐射测量，分析不同能量离子注入对制备的超浅结样品的光学和电学特性的影响。对具有不同顶层和埋藏层厚度的绝缘上硅样品进行了测量，得到了具有光学干涉的光致发光光谱。同时光生载流子辐射测量结果说明了绝缘上硅样品具有较小的载流子有效寿命。本文从载流子扩散的连续性方程出发，推导了三维时域的自由载流子吸收理论模型。通过模型仿真计算，分析了不同载流子输运特性参数、不同激发光半径和探测光半径对信号的影响。搭建了自由载流子吸收实验系统，测量了N型和P型掺杂硅晶片样品的信号，并用多参数拟合的方法计算得到了各样品的载流子寿命、载流子扩散系数和前表面复合速度。