氧化物薄膜晶体管（TFT）是以氧化物半导体（Oxide Semiconductor）为沟道材料的薄膜晶体管。与非晶硅、低温多晶硅和有机TFT等相比,氧化物TFT因其场效应迁移率较高、电学性能均匀性好、关态电流低且与传统面板制备工艺兼容的优势而受到关注。在过去的十几年中,氧化物TFT的研究取得了很大的进展,基于氧化物TFT的显示产品已经面世。然而随着显示技术朝着超高清、高刷新率、低功耗和透明等方向的发展,对TFT的迁移率和稳定性提出了更高的要求。当前规模量产应用的In Ga Zn O4（IGZO）TFT的迁移率只有10 cm~2·V-1·s-1左右,还面临着在负偏压光照应力（NBIS）下严重的阈值电压漂移的问题,难以满足未来显示的需求。因此,提高迁移率和NBIS稳定性成为氧化物TFT的迫切需要解决的问题。基于此,本论文设计和开发了一种镧系（Ln）稀土元素——铽（Tb）掺杂的氧化铟半导体材料（简称Tb:In2O3）,并探索以其作为沟道层的TFT的迁移率极限和NBIS稳定性机理。研究发现5 wt.%Tb4O7掺杂的Tb:In2O3TFT器件的迁移率高达45.0 cm~2·V-1·s-1。通过对In2O3和Tb:In2O3薄膜的薄膜结构的对比研究发现,Tb:In2O3薄膜保留了纯In2O3薄膜表现出的纳米晶结构。纯In2O3薄膜的晶粒尺寸由Scherrer公式计算为～10.8 nm,这与Tb:In2O3薄膜（～10.7 nm）相比也没有太大差异。同时,观察到In2O3和Tb:In2O3的（2 2 2）峰均在同一位置（30.54°）,表明掺杂Tb后晶格破坏作用很小。因此,我们将Tb掺杂后仍能保持高迁移率的性能归因于低的Tb掺杂量和较小的晶格畸变;此外,这样低的掺杂量下对In 5s轨道交叠的破坏作用小,几乎不影响电子的输运。与此同时,Tb:In2O3TFT在NBIS下显示出较好的稳定性(3600 s后的开启电压的漂移量ΔVon为-3.9 V),远优于未掺杂的In2O3TFT的NBIS稳定性(ΔVon为-11.7 V)。通过对In2O3和Tb:In2O3靶材的反射光谱的测试发现In2O3靶材在12000到22000 cm-1（对应波长为450-830 nm）之间的反射率很高（～90%）,意味着出低的光吸收。相比之下,Tb:In2O3靶材在相同波长范围内的反射率低（～20%）,意味着出高的光吸收;这说明掺入Tb后,靶材在可见光范围内的吸收大幅提高。进一步提出了Tb:In2O3中Tb4+的电荷转移（CT）跃迁的理论模型来解释掺Tb后器件NBIS稳定性提升的原因。研究和分析表明,Tb4+的CT跃迁可以吸收整个范围的蓝光并且通过交叉弛豫下转换成非辐射跃迁,即Tb4+离子由Tb4f ~7—O2p~6的基态吸收光子后被激发至Tb4f ~8—O2p~5的激发态,被激发后的大多数Tb4f ~8—O2p~5激发态通过交叉弛豫可下转换为非辐射跃迁;而其中另外一些Tb4f ~8—O2p~5激发态可能充当复合中心,能帮助光生电子复合。这种CT跃迁具有比氧空位电离更小的弛豫和更短的弛豫时间,因此可以抑制氧空位在光照下的电离而造成电子浓度增大、阈值电压负漂的现象,这是Tb:In2O3TFT相较于In2O3TFT器件NBIS下稳定性大大提高的根本原因。本论文设计的Tb:In2O3半导体材料及其TFT器件突破了氧化物TFT的迁移率和NBIS稳定性之间的矛盾问题,迁移率可达40.0 cm~2·V-1·s-1以上,同时NBIS稳定性得到了大幅提升,为氧化物TFT在新型显示方向的应用提供了选择。此外,本论文提出的CT跃迁的理论模型为高迁移率、高NBIS稳定性的氧化物TFT沟道材料的设计提供了清晰的思路。