信息安全是一個(gè)古老而又年輕的議題。從古希臘時(shí)期的“置換密碼”，二戰(zhàn)中的諜報(bào)電臺(tái)，再到現(xiàn)如今的大數(shù)據(jù)時(shí)代，信息的加密不僅在軍事、政治、外交等領(lǐng)域至關(guān)重要，而且在人們?nèi)粘Ｉa(chǎn)與生活中隨處可見(jiàn)。常見(jiàn)的加密方法是在芯片或電路設(shè)計(jì)中引入具有加密功能的硬件模塊,這種做法在一定程度上滿足信息安全的要求，但也提高了芯片設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度。

近日，南京大學(xué)物理學(xué)院繆峰教授團(tuán)隊(duì)利用二維材料異質(zhì)結(jié)晶體管的可調(diào)光電性質(zhì)和非易失存儲(chǔ)性質(zhì)，首次實(shí)現(xiàn)了對(duì)光電邏輯電路的可靠加密，為提高光電信息轉(zhuǎn)換的安全性和簡(jiǎn)化加密芯片結(jié)構(gòu)的布局提供了一個(gè)可行的新思路。

二維層狀材料是后摩爾時(shí)代被寄予厚望的基礎(chǔ)電子材料之一。繆峰教授團(tuán)隊(duì)一直專注于探索二維材料的獨(dú)特物性與調(diào)控機(jī)制，以及新原理信息器件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，開(kāi)拓和發(fā)展了“原子樂(lè)高”電子學(xué)，陸續(xù)在光電探測(cè)、類腦計(jì)算、類腦視覺(jué)、可重構(gòu)電路等方向取得突破。在此基礎(chǔ)之上，繆峰團(tuán)隊(duì)近日構(gòu)建了一類具有優(yōu)異光電性質(zhì)和可調(diào)非易失存儲(chǔ)的二維材料垂直異質(zhì)結(jié)光電晶體管，并將其作為加密電路的基本單元，在執(zhí)行邏輯運(yùn)算的同時(shí)，通過(guò)柵極“密鑰”對(duì)晶體管的邏輯功能進(jìn)行加密。相關(guān)研究成果以“Nonvolatile van der Waals Heterostructure Phototransistor for Encrypted Optoelectronic Logic Circuit”（基于范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)的非易失性晶體管實(shí)現(xiàn)對(duì)光電邏輯電路的加密）為題于2022年2月15日在線發(fā)表在納米材料和器件領(lǐng)域重要期刊ACS Nano上。

在這項(xiàng)工作中，研究團(tuán)隊(duì)首先利用二維材料異質(zhì)結(jié)轉(zhuǎn)移技術(shù)制備了WSe2/h-BN/Al2O3異質(zhì)結(jié)光電晶體管，其中雙極性WSe2作為溝道材料（圖一a）。團(tuán)隊(duì)研究發(fā)現(xiàn)，編程(同時(shí)加一束光脈沖和背柵電脈沖)前后的器件場(chǎng)效應(yīng)輸出曲線不重合，器件表現(xiàn)出對(duì)輸入光信號(hào)的非易失性存儲(chǔ)（圖一b）。為了進(jìn)一步驗(yàn)證該非易失性，研究人員測(cè)試了編程過(guò)程中器件源漏電流的變化，發(fā)現(xiàn)電流在加光瞬間出現(xiàn)明顯下降，且當(dāng)光信號(hào)撤去后電流量級(jí)并未恢復(fù)到初始狀態(tài)（圖一c）。這種非易失性存儲(chǔ)歸因于h-BN和Al2O3界面處光誘導(dǎo)積累電荷引起的柵極電場(chǎng)屏蔽。異質(zhì)結(jié)光電存儲(chǔ)器不但表現(xiàn)出在105開(kāi)關(guān)比下超過(guò)104次的擦寫(xiě)次數(shù)（圖二a）、超過(guò)5×104s的阻態(tài)保持時(shí)間（圖二b）等優(yōu)異的存儲(chǔ)性能，而且其溝道電流可同時(shí)受到柵極靜電場(chǎng)效應(yīng)和界面處光生載流子帶來(lái)的光門(mén)控效應(yīng)的調(diào)控。因此，研究人員一方面通過(guò)控制編程脈沖的次數(shù)調(diào)節(jié)h-BN/Al2O3界面處積累的光生載流子數(shù)量，另一方面改變施加在柵極的電壓大小和極性，利用兩者的協(xié)同作用調(diào)控了溝道載流子的濃度和類型，并最終影響源漏電流（如圖二c和d所示）。

圖一：非易失性光電晶體管的基本表征。(a)光電晶體管的示意圖（左）和光學(xué)圖像（右；比例尺，15μm）。(b)光電晶體管的場(chǎng)效應(yīng)曲線。編程過(guò)程：同時(shí)施加100 ms的-8 V柵極脈沖和405nm 的激光脈沖。(c)源漏電流輸出曲線隨時(shí)間的變化關(guān)系。施加的光脈沖時(shí)長(zhǎng)為175 ms（陰影區(qū)域）。

圖二：非易失性光電晶體管的存儲(chǔ)特性。(a)光電晶體管的耐久性測(cè)試。(b)光電晶體管的阻態(tài)保持時(shí)間特性。(a)和(b)均在柵極電壓為0 V的狀態(tài)下測(cè)得。當(dāng)柵極電壓分別為(c)3、4、5 V 和(d)-3、-4、-5 V時(shí)的光電晶體管多態(tài)存儲(chǔ)性質(zhì)。編程過(guò)程施加了25個(gè)光電脈沖（波長(zhǎng)405 nm，持續(xù)時(shí)間10 ms；VP=-5 V）；復(fù)位過(guò)程施加了30個(gè)光電脈沖（波長(zhǎng)405 nm，持續(xù)時(shí)間10 ms；VE=10 V）。

作為光電安全邏輯電路的關(guān)鍵元件，非易失性光電晶體管可以通過(guò)調(diào)制通道電導(dǎo)在器件層面實(shí)現(xiàn)信息加密。研究團(tuán)隊(duì)利用了這種性質(zhì)，將用于編程的光信號(hào)視為邏輯輸入信號(hào)（有光：邏輯“1”；無(wú)光：邏輯“0”），同時(shí)將柵極調(diào)控信號(hào)視為信息加密的密鑰，一種柵極密鑰則對(duì)應(yīng)了一種電流輸出結(jié)果（圖三a）。得益于溝道材料WSe2的雙極性場(chǎng)效應(yīng)性質(zhì)，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)改變輸入邏輯信號(hào)和柵極密鑰信息，實(shí)現(xiàn)了對(duì)溝道載流子的導(dǎo)電類型調(diào)控和濃度調(diào)控（圖三b）。同時(shí)，只有提供密鑰，才能破解輸出電流所代表的具體邏輯信息（圖三c）。

圖三：器件級(jí)加密。(a)有、無(wú)密鑰的電路原理圖對(duì)比。(b)信息加密的物理機(jī)制。定義無(wú)光和有光（波長(zhǎng)405nm，持續(xù)時(shí)間100ms）條件分別為邏輯輸入“0”和“1”。在這兩種情況下，VP均設(shè)置為-8 V，VDS為1 V。(c)邏輯“0”（灰色）和邏輯“1”（紫色）的輸出電流狀態(tài)隨背柵讀取電壓(VR)的變化。

在此基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)將兩個(gè)相同的異質(zhì)結(jié)晶體管和一個(gè)三柵晶體管器件進(jìn)行了集成，形成了雙輸入、單輸出的光電加密邏輯電路，其中兩個(gè)異質(zhì)結(jié)晶體管（P1和P2）輸出的電流信號(hào)通過(guò)電阻轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)（V1和V2），并分別與三柵晶體管的控制柵（control gate）和極性柵（polarity gate）相連，得到最終的電流輸出（圖四a和b）。在輸入的邏輯信息與密鑰的共同作用下，每條支路上異質(zhì)結(jié)晶體管的輸出電壓值會(huì)產(chǎn)生變化，從而影響三柵晶體管的溝道載流子濃度，進(jìn)而影響輸出結(jié)果。研究團(tuán)隊(duì)分析了三柵晶體管的輸出特性曲線（圖四c），并選定了與器件級(jí)聯(lián)相匹配的電流閾值（白色虛線）,高于電流閾值則輸出認(rèn)定為邏輯“0”，低于則輸出認(rèn)定為邏輯“1”。最終，通過(guò)調(diào)節(jié)密鑰序列，團(tuán)隊(duì)成功在這個(gè)簡(jiǎn)單電路中展現(xiàn)了與非、或非、異或三種邏輯運(yùn)算功能的切換（圖四d）。

圖四：用于實(shí)現(xiàn)可重構(gòu)邏輯門(mén)的安全光電電路。(a)VR作為通用密鑰來(lái)加密任何邏輯輸入的原理圖。(b)安全光電電路示意圖。(c)三柵晶體管的源漏電流IOUT與控制柵（V1）和極性柵（V2）的函數(shù)映射關(guān)系。白色虛線表示三柵晶體管的電流閾值，并決定了最終的邏輯輸出。藍(lán)色和橙色區(qū)域分別對(duì)應(yīng)于邏輯輸出“1”和“0”。(d)基于密鑰的三個(gè)特定邏輯功能（NAND、XOR和NOR）的實(shí)現(xiàn)。

南京大學(xué)物理學(xué)院博士生王爽和副研究員潘璇為論文的共同第一作者，繆峰教授和梁世軍副教授為共同通訊作者。該工作得到國(guó)家優(yōu)秀青年科學(xué)基金、國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、中科院先導(dǎo)B項(xiàng)目、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等項(xiàng)目資助，以及固體微結(jié)構(gòu)物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、人工微結(jié)構(gòu)科學(xué)與技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心等支持。