所公开的技术总体涉及半导体结构的表征，更特别地涉及高k介质材料的光学表征。方法包括：提供包括半导体以及形成在半导体上的高k介质层的半导体结构，其中介质层具有形成在其中的电子陷阱。另外，该方法包括使具有入射能量的入射光至少部分穿透高k介质层，并且使入射光被半导体至少部分吸收。另外，该方法包括测量由具有与入射能量不同的能量的光产生的非线性光谱，该非线性光谱具有第一区域和第二区域，其中第一区域以与第二区域相比不同的速率改变强度。该方法进一步包括从非线性光谱确定第一区域的第一时间常数和第二区域的第二时间常数中的一个或两者，并且基于第一时间常数和第二时间常数中的一个或两者确定高k介质层中的陷阱密度。