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賓夕法尼亞州立大學(xué)Saptarshi Das等--基于石墨烯的應(yīng)變電子物理不可控制函數(shù)
       物理上不可克隆的功能(PUF)是現(xiàn)代硬件安全不可分割的一部分。已經(jīng)存在各種類型的PUF,包括光學(xué)、電子和磁性PUF。在這里,本文通過利用石墨烯場效應(yīng)晶體管(GFET)的接觸微結(jié)構(gòu)中的應(yīng)變誘導(dǎo)可逆裂紋,介紹了一種新型的應(yīng)變電子PUF(SPUF)。本文發(fā)現(xiàn),具有壓電柵極堆疊和高抗拉強(qiáng)度金屬接觸的GFET中的應(yīng)變循環(huán)會導(dǎo)致一些GFET轉(zhuǎn)移特性的突然轉(zhuǎn)變,而其他GFET對應(yīng)變循環(huán)保持彈性。應(yīng)變敏感型GFET顯示出大于107的巨大開/關(guān)電流比,而應(yīng)變彈性型GFET則顯示出小于10的開/關(guān)電壓比。本文總共制造了25個(gè)SPUF,每個(gè)SPUF包括16個(gè)GFET,并發(fā)現(xiàn)性能接近理想。除了電源電壓和時(shí)間穩(wěn)定性外,SPUF還表現(xiàn)出對基于回歸的機(jī)器學(xué)習(xí)(ML)攻擊的抵御能力。本文的發(fā)現(xiàn)突出了新興應(yīng)變電子器件在滿足微電子行業(yè)一些關(guān)鍵需求方面的機(jī)遇。

 
圖1.壓電門控應(yīng)變電子石墨烯場效應(yīng)晶體管的制備和表征。應(yīng)變電子GFET的(a)示意圖和(b)掃描電子顯微鏡(SEM)圖像。采用溶膠-凝膠技術(shù)在p++-Si襯底上生長了2μm厚的壓電鋯鈦酸鉛(PZT)薄膜作為全局背柵。(c) PZT膜的俯視SEM圖像顯示具有亞微米尺寸的柱狀晶粒。(d) 嵌套磁滯回線顯示了使用金屬-絕緣體-金屬(MIM)結(jié)構(gòu)的PZT膜的極化(P)與電場(E)的關(guān)系。提取了0.2C/m2的殘余極化和2×106V/m的矯頑場。(e) 通過測量Ni應(yīng)變儀上的電阻變化提取的PZT薄膜上作為偏壓函數(shù)的應(yīng)變(插圖)。(f) 使用532nm激光器獲得的石墨烯通道的拉曼光譜。1600和2700 cm–1附近的兩個(gè)特征峰證實(shí)了單層石墨烯。(g) 在100 mV的源極-漏極電壓(VDS)下,在環(huán)境壓力和室溫下測量的代表性制造的GFET的雙掃描傳輸特性,即源極-漏電極電流(IDS)與背柵電壓(VBG)的關(guān)系。(h)400個(gè)制造的GFETs的傳輸特性中的器件到器件的變化。在這400個(gè)GFET上,(i)電子和(j)空穴分支的峰值跨導(dǎo)的分布以及(k)電子和。

 
圖2:GFET中的應(yīng)變循環(huán)。(a)應(yīng)變彈性和(b)應(yīng)變循環(huán)后應(yīng)變轉(zhuǎn)化的GFET的示意圖和SEM圖像。在應(yīng)變轉(zhuǎn)換的GFET中可以看到納米裂紋。(c) 放大了具有代表性的納米裂紋的SEM圖像。一旦形成,納米裂紋是電可逆的,這意味著它們可以通過掃描VBG來打開和關(guān)閉。(d)應(yīng)變彈性GFET和(e)應(yīng)變轉(zhuǎn)換GFET在應(yīng)變循環(huán)期間的傳輸特性的演變,即,從−70到70 V的10次背柵電壓掃描。應(yīng)變轉(zhuǎn)換GFETs顯示出超過107的巨大開/關(guān)電流比,而應(yīng)變彈性GFETs繼續(xù)顯示出<10的較差開/關(guān)電流比。

 
圖3.構(gòu)造一個(gè)應(yīng)變電子物理不可克隆函數(shù)(SPUF)。(a) 由16個(gè)GFET組成的代表性SPUF的光學(xué)圖像。(b) 通過應(yīng)變循環(huán)構(gòu)建SPUF的過程以及(c)隨后的SPUF穩(wěn)定性。(d) 應(yīng)變轉(zhuǎn)換的GFET的開關(guān)閾值(VST)的分布,即裂紋打開/閉合的VBG。SPUF構(gòu)建和穩(wěn)定性測試期間(e)均勻性(p)和(f)熵(e)的演變。正如預(yù)期的那樣,由于所有的GFET都顯示出相似的特性,因此所制造的SPUF具有零均勻性和零熵。然而,在SPUF構(gòu)建過程結(jié)束時(shí),均勻性和熵分別達(dá)到其理想值0.5和1,并在隨后的SPUF穩(wěn)定性測試中繼續(xù)保持相同。(g) 自相關(guān)函數(shù)(ACF)作為SPUF構(gòu)造和隨后的穩(wěn)定性測試周期期間的滯后(比特延遲)的函數(shù)。正如預(yù)期的那樣,所制造的SPUF顯示出很強(qiáng)的相關(guān)性,這種相關(guān)性在SPUF構(gòu)造結(jié)束時(shí)減弱并變?yōu)榱悖⒃诜€(wěn)定性測試循環(huán)期間保持不變。

  
圖4.SPUF的特性。(a) 25個(gè)SPUF的熵(E)和(b)均勻性(p)。(c) 從25個(gè)SPUF獲得的300(25C2)對挑戰(zhàn)-反應(yīng)對(CRP)中的漢明距離(HD)的色圖和(d)直方圖。(e) 顏色圖和(f)300對CRP之間的相關(guān)系數(shù)(CC)的直方圖。

 
圖5. SPUF可靠性。代表性的(a)轉(zhuǎn)化應(yīng)變和(b)應(yīng)變彈性GFET的轉(zhuǎn)移特性作為天數(shù)的函數(shù)。(c) 作為天數(shù)的函數(shù)的相應(yīng)誤碼率(BER)。CRP中的16個(gè)比特中沒有一個(gè)被翻轉(zhuǎn),導(dǎo)致BER=0,并確認(rèn)SPUF隨著時(shí)間的推移是穩(wěn)定的。代表性的(d)應(yīng)變轉(zhuǎn)換的GFET和(e)使用范圍從20到100 mV的不同VDS測量的應(yīng)變彈性GFET的傳遞特性。(f)作為VDS的函數(shù)的對應(yīng)BER。BER=0,確認(rèn)SPUF對電源電壓變化的彈性。實(shí)驗(yàn)測量的CRP和從基于NF=1、2、4和8階傅立葉級數(shù)的回歸分析獲得的預(yù)測的CRP之間的(g)預(yù)測精度、(h)HD和(i)CC的色圖。
 
      相關(guān)研究成果由賓夕法尼亞州立大學(xué)Saptarshi Das  等人2023年發(fā)表在Nano Letters (https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.3c01145)上。原文:A Graphene-Based Straintronic Physically Unclonable Function。

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