ACS Nano: 南大缪峰团队在二维光电异质结加密电路方面取得重要进展

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信息安全是一个古老而又年轻的议题。从古希腊时期的“置换密码”，二战中的谍报电台，再到现如今的大数据时代，信息的加密不仅在军事、政治、外交等领域至关重要，而且在人们日常生产与生活中随处可见。常见的加密方法是在芯片或电路设计中引入具有加密功能的硬件模块,这种做法在一定程度上满足信息安全的要求，但也提高了芯片设计的复杂程度。

近日，南京大学物理学院缪峰教授团队利用二维材料异质结晶体管的可调光电性质和非易失存储性质，首次实现了对光电逻辑电路的可靠加密，为提高光电信息转换的安全性和简化加密芯片结构的布局提供了一个可行的新思路。

二维层状材料是后摩尔时代被寄予厚望的基础电子材料之一。缪峰教授团队一直专注于探索二维材料的独特物性与调控机制，以及新原理信息器件的设计与实现，开拓和发展了“原子乐高”电子学，陆续在光电探测、类脑计算、类脑视觉、可重构电路等方向取得突破。在此基础之上，缪峰团队近日构建了一类具有优异光电性质和可调非易失存储的二维材料垂直异质结光电晶体管，并将其作为加密电路的基本单元，在执行逻辑运算的同时，通过栅极“密钥”对晶体管的逻辑功能进行加密。相关研究成果以“Nonvolatile van der Waals Heterostructure Phototransistor for Encrypted Optoelectronic Logic Circuit”（基于范德华异质结构的非易失性晶体管实现对光电逻辑电路的加密）为题于2022年2月15日在线发表在纳米材料和器件领域重要期刊ACS Nano上。

在这项工作中，研究团队首先利用二维材料异质结转移技术制备了WSe₂/h-BN/Al₂O₃异质结光电晶体管，其中双极性WSe₂作为沟道材料（图一a）。团队研究发现，编程(同时加一束光脉冲和背栅电脉冲)前后的器件场效应输出曲线不重合，器件表现出对输入光信号的非易失性存储（图一b）。为了进一步验证该非易失性，研究人员测试了编程过程中器件源漏电流的变化，发现电流在加光瞬间出现明显下降，且当光信号撤去后电流量级并未恢复到初始状态（图一c）。这种非易失性存储归因于h-BN和Al₂O₃界面处光诱导积累电荷引起的栅极电场屏蔽。异质结光电存储器不但表现出在10⁵开关比下超过10⁴次的擦写次数（图二a）、超过5×10⁴s的阻态保持时间（图二b）等优异的存储性能，而且其沟道电流可同时受到栅极静电场效应和界面处光生载流子带来的光门控效应的调控。因此，研究人员一方面通过控制编程脉冲的次数调节h-BN/Al₂O₃界面处积累的光生载流子数量，另一方面改变施加在栅极的电压大小和极性，利用两者的协同作用调控了沟道载流子的浓度和类型，并最终影响源漏电流（如图二c和d所示）。

图一：非易失性光电晶体管的基本表征。(a)光电晶体管的示意图（左）和光学图像（右；比例尺，15μm）。(b)光电晶体管的场效应曲线。编程过程：同时施加100 ms的-8 V栅极脉冲和405nm 的激光脉冲。(c)源漏电流输出曲线随时间的变化关系。施加的光脉冲时长为175 ms（阴影区域）。

图二：非易失性光电晶体管的存储特性。(a)光电晶体管的耐久性测试。(b)光电晶体管的阻态保持时间特性。(a)和(b)均在栅极电压为0 V的状态下测得。当栅极电压分别为(c)3、4、5 V 和(d)-3、-4、-5 V时的光电晶体管多态存储性质。编程过程施加了25个光电脉冲（波长405 nm，持续时间10 ms；V_P=-5 V）；复位过程施加了30个光电脉冲（波长405 nm，持续时间10 ms；V_E=10 V）。

作为光电安全逻辑电路的关键元件，非易失性光电晶体管可以通过调制通道电导在器件层面实现信息加密。研究团队利用了这种性质，将用于编程的光信号视为逻辑输入信号（有光：逻辑“1”；无光：逻辑“0”），同时将栅极调控信号视为信息加密的密钥，一种栅极密钥则对应了一种电流输出结果（图三a）。得益于沟道材料WSe₂的双极性场效应性质，研究团队通过改变输入逻辑信号和栅极密钥信息，实现了对沟道载流子的导电类型调控和浓度调控（图三b）。同时，只有提供密钥，才能破解输出电流所代表的具体逻辑信息（图三c）。

图三：器件级加密。(a)有、无密钥的电路原理图对比。(b)信息加密的物理机制。定义无光和有光（波长405nm，持续时间100ms）条件分别为逻辑输入“0”和“1”。在这两种情况下，VP均设置为-8 V，VDS为1 V。(c)逻辑“0”（灰色）和逻辑“1”（紫色）的输出电流状态随背栅读取电压(VR)的变化。

在此基础上，研究团队将两个相同的异质结晶体管和一个三栅晶体管器件进行了集成，形成了双输入、单输出的光电加密逻辑电路，其中两个异质结晶体管（P₁和P₂）输出的电流信号通过电阻转换为电压信号（V₁和V₂），并分别与三栅晶体管的控制栅（control gate）和极性栅（polarity gate）相连，得到最终的电流输出（图四a和b）。在输入的逻辑信息与密钥的共同作用下，每条支路上异质结晶体管的输出电压值会产生变化，从而影响三栅晶体管的沟道载流子浓度，进而影响输出结果。研究团队分析了三栅晶体管的输出特性曲线（图四c），并选定了与器件级联相匹配的电流阈值（白色虚线）,高于电流阈值则输出认定为逻辑“0”，低于则输出认定为逻辑“1”。最终，通过调节密钥序列，团队成功在这个简单电路中展现了与非、或非、异或三种逻辑运算功能的切换（图四d）。

图四：用于实现可重构逻辑门的安全光电电路。(a)VR作为通用密钥来加密任何逻辑输入的原理图。(b)安全光电电路示意图。(c)三栅晶体管的源漏电流IOUT与控制栅（V1）和极性栅（V2）的函数映射关系。白色虚线表示三栅晶体管的电流阈值，并决定了最终的逻辑输出。蓝色和橙色区域分别对应于逻辑输出“1”和“0”。(d)基于密钥的三个特定逻辑功能（NAND、XOR和NOR）的实现。

南京大学物理学院博士生王爽和副研究员潘璇为论文的共同第一作者，缪峰教授和梁世军副教授为共同通讯作者。该工作得到国家优秀青年科学基金、国家自然科学基金重点项目、中科院先导B项目、国家重点研发计划等项目资助，以及固体微结构物理国家重点实验室、人工微结构科学与技术协同创新中心等支持。

论文链接：

https://doi.org/10.1021/acsnano.1c10978

缪峰教授课题组主页：

http://nano.nju.edu.cn/

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