Nano-Micro Letters1959年，Dawon Kahng 和Mohamed M. Atalla首次提出了金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFETs)，自此，硅基集成电路成为现代电子产品的关键组件。1960年，实现生产数量约1.3 × 1022的MOSFETs，并应用于处理器、图像传感器、内存集成、电子电力和神经形态系统。Dennard缩放比例表明晶体管的尺寸是决定其功耗和工作频率的关键因素，因此，半导体行业的工作一直聚焦于减少MOSFETs的维度，然而，MOSFETs的缩尺正面临着物理极限，在原子水平上，纳米的特征尺寸会受到低工艺产率(~ 70%)和短通道效应的影响。
垂直集成作为一种有效的替代方法，能够规避传统MOSFETs面临的问题，即采用新兴半导体材料，包括过渡金属二硫代化合物(TMDs)、碳纳米管(CNTs)、有机物和金属化合物以及这些材料的组合，自下而上地制备晶体管和电子器件。与传统的硅基MOSFETs不同的是，该技术中每一种材料都能够简单沉积，层层堆叠，垂直集成，而不需要复杂的刻蚀工艺。
与传统MOSFETs相比，新兴半导体材料具有独特的优势，有关使用新兴半导体材料开发垂直集成的研究越来越多，展示了其应用于下一代电子集成技术的可能性。例如，有机半导体采用溶液加工的制造方法，能够降低制备成本，而原子级薄结构的二维(2D) TMDs能够减少短沟道效应和范德华界面声子散射。各类新兴半导体材料，其器件特征、制造过程和功能属性在不同的应用领域中，具有不同的优势。
本文回顾了用于垂直集成的新兴半导体材料：有机物、TMDs、CNTs、金属氧化物及其复合材料在垂直堆叠过程中的优势和不足，此外，着重介绍了垂直集成电子器件的最新应用，阐明了垂直三维(3D)集成的优势。
Vertically Integrated Electronics: New Opportunities from Emerging Materials and DevicesSeongjae Kim, Juhyung Seo, Junhwan Choi*, Hocheon YooNano-Micro Letters (2022)14: 201
https://doi.org/10.1007/s40820-022-00942-1
本文亮点
1. 重新审视了基于新兴半导体材料的垂直堆叠电子器件，包括有机材料，金属氧化物和二维材料。
2. 根据每种半导体材料，讨论了垂直堆叠电子学的器件结构，性能和制造方法。
3. 重点介绍了用于新兴应用的垂直集成电子器件的最新进展，例如先进的集成电路，传感器和显示系统。
内容简介
垂直三维(3D)集成对于在单位面积上制备大量晶体管来说极具吸引力，此方法不仅能够满足数据处理的更高需求，而且能够避免规模的限制，迄今为止的二十年里，已有大量研究文献报道了垂直集成电子器件。首尔大学Hocheon Yoo课题组在本文首先回顾了用于垂直集成的新兴半导体材料：有机半导体，2D TMDs、CNTs，金属氧化物半导体等，并且讨论了基于各类半导体材料的3D集成晶体管的特征、器件特性和制造方法；其次，着重介绍了垂直集成电子器件的最新进展，如先进集成电路、传感器和显示系统；最后，展望了基于新兴半导体材料器件的3D垂直集成在未来柔性和可穿戴电子产品中的应用前景，提出了其未来面临的挑战。
图文导读
I 基于新兴材料的3D集成概述
图1. 基于新兴材料的3D集成概述，包括有机半导体、金属氧化物半导体和二维材料等。
II 金属互联方法
垂直3D集成能够克服基于缩放的物理极限，并且在给定的二维平面内实现高集成密度，如图2(a)。实现垂直堆叠的电子器件，关键在于保证不同层电极之间的可靠连接，金属互联方法主要分为通孔成型法和无过工艺，如图2(b)。
传统光刻法和蚀刻法是通孔形成法的典型代表，大多数金属化合物半导体和化学稳健的2D半导体材料可以兼容以上两种方法。然而，有机溶剂、等离子体和用于高温工艺的显影剂等则可能破坏脆弱的有机材料半导体，降低器件性能，因此传统光刻技术的通孔成型法很难应用于3D堆叠的有机材料电子器件中。有机材料电子器件层电极连接，可以利用溶剂型喷墨印刷的激光打孔和软蚀刻技术实现，即通过去除或图案化介电层来制造通孔。这种破坏性的方法仍存在局限性，例如，高能激光的照射伴随升温，将会破坏有机物降解，溶剂型印刷方法中只适用于可溶于溶剂的介电材料，这极大的限制了材料的选择范围。因此，通过电介质模式提出了一种无孔金属互联方法，即聚合物介质的无溶剂沉积法，称为初始化学气相沉积法(iCVD)，该方法能在超薄的介质厚度下是实现稳健的绝缘性能，利用这种全干法和阴影掩膜模式，聚合物介电层在沉积过程中能够直接实现垂直互联而不形成通孔。不同层间的金属互联对垂直集成电子器件来说十分关键，因此选择适合半导体材料和介电材料的金属互联方法至关重要。
图2. (a)垂直3D集成；(b)金属互联方法。
III 基于新兴半导体材料的垂直集成电子器件
3.1 有机材料垂直集成
有机电子器件具有成本低廉、大面积工艺适应性、固有机械变形性和重量轻的优势，而且其分子共轭结构可调节，因此基于有机薄膜晶体管(OTFT)的高度集成电子器件在下一代电子领域获得巨大的研究关注。然而，有机材料有限的热稳定性和化学稳定性，阻碍了OTFT 3D集成的发展。例如，有机溶剂会损害半导体的电特性，空气环境中水氧电化学反应会导致电子运输性能退化等问题，因此,必须采用有效措施保护有机层和器件。可采取的措施有，保护制备于的顶层或中间层有机器件以防止有机溶剂或其他化学物质的破坏，最小化制造过程中的热应力，或者在最顶层增加保护层隔绝环境空气, 如图3(a)。
在此背景下，高分子材料应运而生，通过引入不同厚度的合适的介电材料，不仅可以更加灵活、独立地优化器件系统性能、增强机械柔韧性、使得OTFT性能最大化，还可以防止有机材料的潜在降解。一些含氟聚合物，可以作为钝化材料有效地保护底层器件，最小化对有机材料的损害。如图3(b)，引入覆盖并五苯半导体的氟乙烯丙烯(FEP)，这种蒸汽沉积的含氟聚合物有效地保护了底层的OTFT，并且由于热退火效应，降低了阈值电压，如图3(c)。含有氟烷基链的高分子材料能够保持与其它有机材料的优良界面。例如，CYTOP因其优越的化学稳定性、强疏水性可用作保护层和顶栅几何的介电层，如图3(d), 采用CYTOP/ Al₂O₃双分子介质制备的p型OTFT，实现了低于7v的低压操作，如图3(e)所示。此外，由于聚对二甲苯强大的介电强度、优异的热定性和化学稳定性，使其成为具有吸引力的介电层和超薄衬底材料，利用较低温度的CVD工艺，可以与热脆弱的衬底兼容，如图3(f)。
喷墨打印器件因其成本低、大面积可加工以及印刷工艺过程中可定义图案的功能，引起有机电子产品制造业的广泛关注。在有机3D集成中，一方面，可通过改变、优化介质材料和厚度，提高p型和n型OTFT之间电荷传输效率，另一方面，可通过双栅TFT结构来优化集成电路性能。图3(g)展示了一种利用二甲苯作为电介质层和衬底的印刷互补逆变器，图3(h)为其光学显微镜图像。图3(i)展示的垂直堆叠逆变器，组成部分除了OTFT之外，都采用喷墨印刷的方法制造。如图3(j)，n型P(NDI₂OD-T₂) OTFT和p型diF-TES-ADT/PS OTFT通过共享栅极垂直集成，该器件具有高收益、统一的电特性和长期环境稳定性。此外，在柔性聚萘二甲酸乙酯(PEN)衬底上制备的3D堆叠结构的大规模印刷逻辑电路，具有较高的运行稳定性和环境稳定性，且工作电压较低(< 5v)。这些结果表明，印刷有机集成电路在柔性和可穿戴电子领域计算系统中具有潜在的适用性。
图3. (a)有机材料垂直集成，采用含氟聚合物或聚二甲苯作为保护层；(b) FEP作为保护层；(c)FEP沉积和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)涂层后退火转移曲线；(d) CYTOP作为保护层；(e) 逆变器的电压传输特性；(f)CVD沉积二甲苯的过程；(g)采用二甲苯作为栅极介质和衬底的超薄有机垂直叠层互补逆变器原理；(h)光学显微镜图像；(i)喷墨打印实现的有机垂直叠加逆变器原理；(j) P(NDI₂OD-T₂) OTFT和 diF-TES-ADT/PS OTFT传递曲线。
3.2 金属氧化物的垂直集成
金属氧化物半导体具有优异的电特性(即高迁移率)和固有的透明性，因此可广泛应用于各类研究领域和显示产业。由于工艺温度的降低，热预算的不断减少，氧化锌(ZnO)、氧化铟氧化铟(In₂O₃)、氧化铟镓锌(IGZO)等n型金属氧化物半导体材料，能够表现出优异的电子迁移率。通过改善铜(II)氧化物(CuO)和锡(II)氧化物(SnO)等p型金属氧化物半导体的电荷输运特性，扩大其在金属氧化物半导体互补逆变器和逻辑电路中的适用性。
图4(a)展示了利用共享栅极结构制作的p型CuO TFT和n型IGZO TFT垂直集成的互补逆变器，根据CuO的厚度优化了CuO TFTs的电特性(图4b)，改进的p型TFT，最大增益高达120 V/V (图4c)。图4(d)展示了p型SnO和n型IGZO TFTs组成的垂直堆叠互补逆变器，SnO TFT的通道宽/长比设计为7倍，提高了载流子迁移率，在电源电压为10 V的情况下，逆变器的直流增益达到33.6 V/V(图4e)，研究发现，随着光波长的减小和光强的增加，VTC的位移量变大(图4f)，此逆变器具有光学传感器的功能。图4(g)展示了一种用于驱动高分辨率显示器的双层IGZO TFTs背板，采用N₂O等离子体保证了IGZO TFT的稳定性和可靠性(图4h)。
图4. (a) p型氧化铜晶体管垂直叠加在n型α-IGZO晶体管顶部的互补逆变器原理；(b) CuO TFT的转移曲线；(c)电压传递特性；(d) p型SnO和n型IGZO TFTs组成的垂直堆叠互补逆变器示意图；(e) 电压传递特性；(f)红、绿、蓝光下逆变器特性(g) 用于高分辨率有源矩阵有机发光二极管背板的垂直堆叠金属氧化物TFT阵列的光学图像和截面示意图；(h)开关TFT和驱动TFT的正偏置温度应力(PBTS)测量结果。
3.3 垂直集成有机-金属氧化物复合组合
图5. 可互补运行的垂直堆叠p型有机半导体和n型金属氧化物混合逆变器。
图6. (a) F8T2 TFT和 GZO TFT共享栅极的垂直堆叠逆变器示意图；(b) F8T2 TFT和IGZO TFT的输出曲线；(c)电压传递特性；(d) IGZO TFT 和并五苯TFT堆叠有机-金属氧化物混合逆变器；(e) (f)在VDD为4,5,6 V时，电压传递特性和直流增益分布；(g) 基于IGZO -并五苯肖特基势垒晶体管的垂直叠加互补逆变器结构示意图；(h)(i) 通过对石墨烯的费米能级调制，控制并五苯与石墨烯、IGZO与石墨烯之间的结肖特基势垒实现逆变器特。
3.4 二维材料的垂直集成
2D半导体厚度可缩小至原子尺寸，因其独特而优越的电学和光学性能，成为新一代电子器件的关键材料。尤其是二硫化钼(MoS₂)和二硒化钨(WSe₂)等TMD材料，表现出优异的电荷输运和可根据层数调节能带隙的特性。2D材料的原子尺寸薄膜厚度,不仅有利于器件散热，最小化总介电热阻，还能够大大提高器件集成密度，与传统的基于硅通孔(TSV)的3D集成相比，器件密度可提高10倍，与传统的单片3D集成相比，其密度可提高2.5倍。
如图7(a)所示，基于优化的金属-有机化学气相沉积(MOCVD)工艺，通过重复沉积SiO₂和MoS₂，在三个不同的层中制备了MoS₂通道，首次展示了基于2D材料的TFTs的大面积3D集成。如图7(b)所示，通过两层MoS₂ TFTs垂直堆叠，增加有效通道宽度，提高了电流驱动能力。更进一步，如图7(c)，三层MoS₂ TFTs 3D集成，在保持器件面积的同时，又增加有效通道宽度，使MoS₂ TFT的电流水平随器件数量成比增加(图7d,e)。这些研究成果显示出2D材料在3D垂直集成中的优势，即在给定区域内增加有效通道宽度，能够提高器件电流驱动能力。
图7. (a)MOCVD工艺制备双层MoS₂ TFTs及其光学显微镜图和每层MoS₂ TFT的输出曲线特征；(b)缩短通道长度提高MoS₂ TFT的电流驱动能力；(c) 三层MoS₂ TFTs垂直堆叠结构 ；(d)(e)通道数量增加，MoS₂垂直集成器件的电流输出曲线和转移曲线。
图8(a)展示了一种基于石墨烯、MoS₂、Bi₂Sr₂Co₂O₈的垂直堆叠互补逆变器。图8(b)中，使用n型MoS₂ TFT和p型WSe₂ TFT，通过共享栅电极，采用高k ZrO₂栅介质层，实现了TFTs低电压工作(<3v) (图8c)。二维材料的大面积合成依赖于MOCVD，为确保良好的电荷传输特性，工艺温度一般较高，而采用简单的热蒸发制备的晶圆级碲(Te) TFT，将工艺温度优化至- 80°C，可以完全兼容塑料基材。通过将顶层和底层的Te TFT相互连接 (图8d,e)，使用高k ZrO₂电介质，工作电压可低至2v(图8f)。研究人员还致力于通过基于2D半导体材料的TFTs的3D集成，实现功能模拟电路，图8(g)展示了一种使用MoS₂和WSe₂ TFTs实现的底层差分放大器和顶层共源放大器的电路图，输入信号的峰间电压为50mv时，得到的输出信号峰间电压约为270 mV，电压增益为5.4 V/V(图8h)。
图8. (a)基于MoS₂、Bi₂Sr₂Co₂O₈垂直堆叠逆变器；(b) n型MOS₂ TFT 和p型WSe₂ TFT 共享栅极的垂直堆叠逆变器；(c)电压传递特性；(d-e)热沉积Te TFT垂直堆叠逆变器结构的原理图和光学显微镜图像；(f) Te基垂直堆叠逆变器的电压传递特性；(g) 采用MoS₂和WSe₂设计的底层差分放大器和顶层共源放大器电路图；(h)输入信号峰值电压为50 mV，底层差动放大器和顶层共源放大器的输出电压。
基于2D材料的3D集成可以实现传感器、存储器、光电探测器和光电晶体管等电子器件的功能。研究人员通过将CVD合成的单分子MoS₂转移到基于硅纳米线FET的逻辑/存储混合3D集成电路上，实现了一种光电晶体管(图9a)。图9(b) 展示了一种通过互补电路和石墨烯3D集成的高性能图像传感器阵列。图9(c)展示了利用MoS₂、六方氮化硼(h-BN)和石墨烯作为半导体、绝缘和接触/门控材料，制备的存储器、逻辑器件以及光学传感器，各器件具有独立运行特性(图9d,e,f)。
图9. (a) 单片3D图像传感器；(b) CVD石墨烯后端CMOS集成388×288像素图像传感器读出电路；(c) 基于二维材料的存储器、逻辑器件、光学传感器不同层的垂直堆叠示意图；(d-f)位于每一层的存储器(第1层)、逻辑器件(第2层)和光学传感器(第3层)的独立运行特性。
3.5 碳纳米管垂直集成
CNTs具有导电高、导热性强、重量轻且机械强度高的特点，CNTs场效应晶体管(CNTFETs)的电荷传输特性可通过钝化调制为p型、n型和双极性，因此CNTFETs可单独实现互补逻辑器件。
Kanhaiya等仅使用CNTFETs实现了垂直堆叠的互补逆变器，使用HfOₓ作为器件的栅极电介质，成功地展示了500个基于CNTFET的晶圆级垂直堆叠NOR门。研究人员结合p型CNTFET和n型IGZO TFT，制备出的垂直叠加互补逆变器可作为温度传感器。研究发现基于CNTs的垂直堆叠结构可实现气体传感功能。
IV 垂直集成的新兴应用
4.1 垂直集成传感器和光电器件
传感器作为可穿戴电子系统中最重要的功能部件之一，能够主动监测环境并向用户提供信息。本文简要介绍了垂直集成传感器件的结构及其制备方法。垂直集成传感器的传感器层一般定位在顶层，以便于暴露在外部环境中，提高器件的灵敏度，如光电晶体管、温度传感器和气体传感器，如图10(a)。在光电晶体管和LED等透明衬底器件中，传感器层的位置则相对自由，例如ITO透明电极可代替光活性层或光产生层制备于顶部，在金属氧化物-有机半导体复合材料的垂直堆叠器件中，为防止金属氧化物溅射及其热应力对有机半导体的损伤，通常将有机物半导体置于金属氧化物顶部。对于环境空气可能造成损伤的有机半导体，同样可以制备于垂直堆栈的底部，并通过上层器件封装保护。
图10(b, c)展示了基于并五苯和氧化镓锌锡(GZTO)半导体的垂直堆叠逆变器，在底层放置GZTO TFT，在顶层放置并五苯OTFT，演示了蓝色LED脉冲时的光门效应(图10d,e)。图10(f)展示了一种基于对二甲苯介质层制备的OTFT，可用作LED的有源矩阵(AM)阵列，并成功演示了基于纸张的AM LED阵列(图10g)。基于有机和氧化物半导体的TFTs的垂直堆叠也可以扩展到集成传感器，通过IGZO TFT和CNT TFT垂直集成(图10h)，实现了温度传感器，人的手指接触时，通过时变电阻反映温度的变化(图10i)。一种基于垂直堆叠单壁碳纳米管(SWCNT)逆变器的氨气传感器，如图10(j)所示，SWCNT逆变器的VTC随着氨浓度的变化逐渐发生偏移(图10k)。一种与OTFT垂直集成的有机光电传感器(OPS)，如图10(l)，光响应随着门源电压的增加而增加，表明OTFT的通道电阻使集成器件 具备光学可调性 (图10m)。
图10. (a)传感器元件适合置于顶层的垂直集成结构概述；(b-c) 并五苯-GZTO栅共享结构的垂直堆叠逆变器的原理图和光学显微镜图像；(d-e)蓝色LED脉冲的响应特性；(f) 通过激光钻连接LED和驱动TFT、DNTT OTFT的结构示意图；(g) 纸基AM LED阵列图像；(h) 基于CNTFET和IGZO的CMOS逆变器以及温度传感器在柔性衬底上垂直堆叠的示意图；(i) 人手接触实时测温；(j) 基于垂直堆叠SWCNT逆变器的氨气传感器；(k)输出电压随氨气浓度的变化曲线(l) OPS和OTFT的垂直集成结构及其等效电路；(m) 不同光强OPS器件的电流密度-电压特性、EQE曲线。
4.2 垂直集成的高级应用
通过垂直叠加的3D集成最显著的优势为提高了二维区域内的数据处理能力。基于新兴材料和器件制备技术，开发出3D集成电路，成为3D集成电子学的一个重要里程碑。装置的传感、数据存储、计算可以在单个芯片中处理，基于此开发了一种四层纳米系统，每一层都有不同的功能(图11a),其中，在顶层制备了大量的CNTFET逆变器，可以用作化学蒸汽传感器，这种复杂的高密度集成电路可用于区分气体和蒸汽，包括氮、柠檬汁、白醋、外用酒精、伏特加、葡萄酒和啤酒的蒸汽(图11b)。值得注意的是，所有组件都可以在低于3v的低电压下工作，这展示了新兴材料与当前硅技术的工艺兼容性，并且，该逻辑器采用垂直堆叠的方式与存储器集成在一块芯片上，克服了片外存储器与片上逻辑电路之间数据传输的瓶颈。
多值逻辑(MVL)电路可以利用传统逻辑状态(0和1)之间的中间逻辑状态来提高数据处理能力，从而备受关注,其中，中间逻辑状态可以利用异质结晶体管实现。研究人员开发了一种垂直堆叠结构的有机三元逻辑逆变器(图11c)，在沉积过程中图形化电介质层实现了不同层之间的金属互联，使用iCVD技术制备超薄聚合物介质层实现了低压操作和高均匀的器件电气特性，并通过与异质结晶体管集成实现了非易失闪存，对闪存适当的编程/擦除，能够优化系统(图11d)。此外，根据介电常数选择合适的介电材料，例如，高k介电材料用于屏蔽介电层、低k介电材料用于隧道介电层，能够降低编程和擦除电压。气相沉积、高鲁棒性的介质材料使闪存具有优异的保留性能，同时增强了该三元逻辑逆变器的可靠性。综上，该研究为实现高性能MVL电路提供了有益的见解，垂直堆叠结构的引入进一步提高了单位面积的信息密度。
另一研究热点为基于新兴材料开发以垂直堆叠方式实现的高密度调幅(AM)显示器，每个像素由单独的TFT控制，为AM显示器高响应时间和高颜色分辨率的关键。如图11(e)，通过后端线(BEOL)与GaN基微型LED垂直集成制备了大规模MoS₂ TFT，该器件采用MOCVD在底层制备GaN基微型LED, 顶部为 MoS₂ TFT。如图11(f)，通过单片集成，实现了一种具有高亮度的1T1D晶体管。作为系统级高分辨率AM显示器的典例，图11(g)展示了一个由1024像素组成的快速反应(QR)图像，间距为20 μm，相当于每英寸1270个像素(图11g)。这项工作展示了原子薄膜半导体与现有显示技术的兼容性，及其在先进显示应用中的潜力。
有机发光二极管(OLED)因其高效率、轻质和高色域，成为移动器件和电视显示器的主流，因此通过OLED开发出高分辨率显示器，有利于满足增强现实(AR)和虚拟现实(VR)在未来显示系统中的要求。如图11(h)所示，利用氧化铟锌(IZO)作为中间电极开发出一种垂直堆叠的全彩OLED系统，加入SiNx钝化层防止在光刻过程中对OLED器件造成损坏，并通过优化各层厚度保证器件的高效率和色域。采用双晶体管一电容(2T-1C)的像素结构，该系统的TFT能够驱动单个R、G、和B单元，分别产生90、230和120cdm⁻2的亮度(图11i)，各种颜色可以通过组合单个颜色来表示(图11 j)。通过开发中间电极的光刻处理精细图案，首次展示了由TFT驱动的垂直堆叠的全彩色OLED，这显示了OLED在高分辨率显示系统中的巨大潜力。
图11. (a)四层堆叠的纳米系统，包括硅场效应晶体管、CNTFET、RRAM、CNTFET传感器等；(b)功能化CNTFTET气体传感器的电性能进行气体成分检测；(c) 有机三元逻辑逆变器；(d) 通过对闪存进行适当的编程/擦除操作，优化三元逆变器的中间逻辑状态；(e) AM微型LED显示器原理图；(f) 0-40μ蓝、绿光微型LED的亮度-电流特性；(g) 在1024个像素系统组成的高分辨率AM蓝色微型LED显示屏上，展示的二维码光学显微镜图像；(h) TFT驱动的全彩色OLED垂直堆叠结构示意图；(i)电流亮度特性；(j) 通过TFT驱动的R、G、B组合，实现多色OLED。
V 展望与结论
本文回顾了基于新兴材料：有机物、金属氧化物、TMDs和CNTs 开发3D垂直集成电子器件的最近进展。3D垂直集成不仅可以提高器件密度，还可以通过在晶体管底层放置n型有机材料和2D材料半导体的方式，提高器件的环境稳定性。与横向结构相比，垂直结构能更灵活地优化半导体界面，便于注入电荷，从而提高器件性能。晶体管与其他功能器件的垂直集成器件，包括传感器、存储器、发光二极管等已广泛应用于开发先进集成电路、显示系统和传感器。然而，这仍然存在一些挑战。
1、考虑散热和功耗。垂直堆叠结构中，底层器件处于绝缘膜中，不利于散热。自下而上的工艺制备的电介质层表现出有限的绝缘性，导致工作电压较高，因此器件功耗较高。降低绝缘层厚度、使用高k介电材料、适当的横向器件电路设计等方法可减少功耗。
2、保证器件高均匀性和成品率。改善薄膜质量和电特性的热处理过程、沉积过程产生的热应力积累、以及化学物质可能导致底层器件的退化和损伤。因此，需要优化工艺条件，开发可靠的方法，根据材料特性选择性地去除或图案化介电层，能够保证器件高均匀度和成品率。
3、改进器件性能和模式分辨率。高电荷迁移率，低体积/界面陷阱密度以及良好的机械变形能力，在下一代电子技术中非常重要。通过提高有机半导体电学和力学性能、提高金属氧化物半导体的机械灵活性和操作稳定性、开发高性能p型金属氧化物、建立适当的工艺合成2D半导体器件、减少通道长度以及图案化电介质层降低新兴半导体器件尺寸和实现金属互联等方法，有望提高器件性能和模式分辨率。
在垂直堆叠结构中，与传统的横向器件几何形状相比，材料选择和工艺设计存在很大差异。尽管存在上述挑战，但垂直集成一直备受关注，因为这种方法可以让我们规避当前硅技术遇到的缩放限制。因此，巨大的研究努力仍然迫切希望最大限度地发挥垂直集成的优势。基于新兴半导体的垂直3D集成是一种有吸引力的策略，可以满足未来可穿戴电子产品和物联网对数据处理的高需求。