近年来，半导体材料由于其独特的性质和广泛的应用，引起了世界范围的关注并得到了蓬勃发展。InGaZnO（IGZO）是一种透明氧化物半导体材料，导电类型为n型。由于其具有高迁移率、较强稳定性和制备的工艺相对简单等优点，备受科研工作者的关注。由于在元素周期表中，In、Ga和Zn等金属元素阳离子具有这样的电子结构：（n-1）d¹⁰ns⁰（其中n≥5），而透明非晶氧化物半导体（TAOS）的导带底（CBM）主要由于金属元素的ns轨道的未被占据态组成。金属阳离子s电子轨道呈球对称分布，并具有较大的半径，所以s轨道相互交叠形成电子的导通路径，这样就会非常有利于电子的传输。国内外研究者已经对IGZO材料进行了相关的理论和实验分析，但仍有一些问题尚不明确，需要逐步地深入探索。该薄膜的制备方法有多种，如脉冲激光沉积（PLD）、等离子体增强化学气相沉积（PECVD）、磁控溅射（Magnetron sputtering）、溶胶-凝胶法（Sol-Gel）等，本文采用的薄膜制备技术为PLD的方法。本文以IGZO的第一性原理计算为理论依据，以IGZO靶材和薄膜的制备原理与方法为主线，兼具靶材和薄膜的测试与表征，对IGZO体系材料进行较为系统的理论分析与实验测试。本文主要的主要研究内容及结果如下：（1）以理想ZnO的第一性原理计算为基础，进行理想ZnO能带结构、态密度和电荷密度等计算，并通过设置氧空位缺陷研究O缺陷对ZnO电子结构的影响；采用第一性原理计算不同构型下的InGaZnO₄材料的电子结构，从理论上分析IGZO材料应当具备的优势与特点。本文采用平面波超软赝势方法，通过广义梯度近似（GGA）中的PBE为交换相关势，分别计算出理想ZnO和氧空位型ZnO的电子结构。计算结果表明，理想ZnO是一种离子性较强、共价键较弱的混合键金属氧化物，并且为直接带隙宽禁带半导体材料；ZnO的禁带宽度为0.805eV，由于过高地估计了Zn3d态的贡献，造成Zn3d态与O2p态的相互作用增大，使得理论值低于实验值。通过氧空位模型ZnO的构建，氧空位的存在使Zn-O相互作用增强，从而导致价带的主要组成部分Zn3d态与O2p态向低能方向移动，而导带的主要组成部分Zn4s态向低能方向的移动相对较小，导致禁带宽度增大；带隙类型由理想ZnO的直接带隙变为间接带隙，氧空位形成了深施主能级。我们通过分别建立列交替型和原子交替型的两种不同单晶（sc-）InGaZnO₄，计算结果表明sc-InGaZnO₄为直接带隙半导体；导带底主要由金属阳离子的s轨道贡献，特别是In-s轨道贡献最大，Ga、Zn原子的随机排列不会对导带内的电荷传输特性产生较大影响；同时使用虚拟晶体近似（VCA）方法计算了InGaZnO₄的电子结构，计算结果具有一定的合理性。（2）调节制靶时In₂O₃、Ga₂O₃和ZnO粉末的摩尔比例，采用固相反应烧结法制备不同组分的IGZO陶瓷靶材，并对靶材进行物相分析、光致发光光谱分析以及拉曼光谱分析等，研究所制备出靶材质量的优劣。随着In₂O₃在起始原料成分比例的不断增大，烧结完成的靶材径向收缩率增大，较高的径向收缩率也显示出固相反应完全的程度与孔隙率的降低。通过对不同组成成分的IGZO陶瓷靶材进行XRD测试，表明各靶材几乎不含原始In₂O₃、Ga₂O₃和ZnO的物相，说明固相反应的进行具有完全性。T₁靶材具有InGaZn₄O₇、InGaZn₅O₈和InGaZn₂O₅不同物相，产生该现象的原因是固相反应中发生相分离和烧结过程中元素的质量损失等。随着ZnO含量的减少和In₂O₃含量的增加，主物相从InGaZn₂O₅逐渐过渡到斜六面体相的InGaZnO₄；当In₂O₃摩尔比例x≥0.6时，物相构成不能确定。通过Raman光谱测试，观察到各靶材几乎不含ZnO块体材料E_2H-E_2L的振动模式，也没有发现具有Raman活性436cm^-1的特征峰，并且只观察到Ga-O、In-O、Zn-O键的振动模式。但随着In₂O₃含量的不断增加，当In₂O₃的含量处于明显的优势地位时，In₂O₃成分的进一步增加不再对晶格的振动特性产生影响，说明虽然物相改变，In₂O₃仍保持着原有的内部结构。然后，对不同靶材采用波长为325nm的He-Cd激光器进行激发，测试靶材的荧光光谱。仅观察到以614～639nm范围内为发光中心的350～900nm宽发光带，荧光峰值强度随着In₂O₃升高而逐渐减弱，荧光中心波长的改变很可能是由于氧空位缺陷的变化引起带隙结构变化导致的，但具体的发光机制需要进一步研究。（3）采用PLD技术，利用不同成分IGZO陶瓷靶材，改变沉积参数（如衬底温度、氧分压等）制备不同成分IGZO薄膜。通过表面轮廓仪、X射线衍射仪（XRD）、原子力显微镜（AFM）、Hall效应测试和X射线光电子能谱（XPS）等表征手段，分别对IGZO薄膜的薄膜厚度、晶体结构、表面形貌、元素成分和光学、电学性质等进行测试与分析，通过薄膜的测试结果分析，反馈并优化薄膜制备技术参数与工艺。采用T₁靶材样品[（Ga₂O₃）0.1（In₂O₃）_0.1（ZnO）_0.8]，在真空室的氧分压为0.5～44.0Pa变化的条件下进行薄膜制备实验。通过XRD测试确认所制备薄膜为非晶结构；通过AFM测试薄膜的表面形貌，表明薄膜均方根粗糙度（RMS）值随着氧分压的增大而增大，在相对较高氧压下RMS值呈现出饱和的趋势；透射光谱测试表明氧空位缺陷或者金属间隙缺陷会占据导带底，而导致带隙的减小；在0.5Pa氧分压下制备的IGZO薄膜载流子浓度为4.3×10¹⁹cm^-3，而其他研究者报道的在氧分压1.0Pa下制备（In₂O₃）0.1（Ga₂O₃）_0.1（ZnO）_0.4薄膜载流子浓度为5.0×10¹⁹cm^-3；从XPS测试结果推断薄膜中的金属元素是以各自氧化态形式存在于薄膜表面，薄膜中In、Ga和Zn的金属间隙的影响可以忽略。采用T8靶材样品[（Ga₂O₃）_0.1（In₂O₃）_0.1（ZnO）_0.8]在室温、氧分压为1.0～15.0Pa变化的的条件下，制备的IGZO薄膜与T₁靶材相关结果极其类似，但当氧分压增大到10.0Pa的时候，薄膜的电学性质极佳，特别是载流子迁移率均取得最大值28.6cm²/（V·s）。比文献报道的载流子浓度1.0×10²⁰cm^-3和迁移率26.0cm²/（V·s）还要高，而且也比我们小组在前期工作中报道的高Zn含量的IGZO薄膜载流子浓度和迁移率高，通过In含量的增加可以明显提高薄膜的载流子浓度和迁移率。我们认为氧空位缺陷在调制薄膜的光学、电学性质上起了非常重要的作用。采用T1靶材样品，在氧分压保持5.0Pa下，在RT和800°C范围内改变衬底温度制备IGZO薄膜。薄膜即使在200°C条件下生长仍为非晶结构；随着基片温度的提升，粒子可以通过较高的基片温度获得更高的能量，最终移动到晶格的适当位置，形成C轴的择优取向，并获得较高的结晶度；制备的IGZO薄膜在可见光光谱范围内都具有比较高的透射率，最高能达到90%；采用van der Pauw法进行Hall效应测试,衬底温度从RT升至400°C，电阻率从0.148Ω·cm降至3.96×10^-3Ω·cm，同时载流子浓度和载流子迁移率分别都有不同程度的提升，这应归因于晶体质量的优化，同时晶粒尺寸的增大减少了薄膜中的晶界，减少了对载流子的散射或捕获。所以基片温度也会对IGZO薄膜的物理性质产生较大影响。通过对IGZO材料理论计算、靶材制备和薄膜制备三方面的研究，探索IGZO或与之相关材料的研究方法，得出的靶材制备和薄膜制备的优化条件可以最终应用于生产与生活当中，特别是对于IGZO薄膜作为沟道层的薄膜晶体管，乃至平板显示与柔性显示技术均具有一定的现实意义与实用价值。