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10
7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/m
2的殘余極化和2×10
6V/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10
7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（
25C
2）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。
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號
