物理上不可克隆的功能（PUF）是現代硬件安全不可分割的一部分。已經存在各種類型的PUF，包括光學、電子和磁性PUF。在這里，本文通過利用石墨烯場效應晶體管（GFET）的接觸微結構中的應變誘導可逆裂紋，介紹了一種新型的應變電子PUF（SPUF）。本文發現，具有壓電柵極堆疊和高抗拉強度金屬接觸的GFET中的應變循環會導致一些GFET轉移特性的突然轉變，而其他GFET對應變循環保持彈性。應變敏感型GFET顯示出大于10
7的巨大開/關電流比，而應變彈性型GFET則顯示出小于10的開/關電壓比。本文總共制造了25個SPUF，每個SPUF包括16個GFET，并發現性能接近理想。除了電源電壓和時間穩定性外，SPUF還表現出對基于回歸的機器學習（ML）攻擊的抵御能力。本文的發現突出了新興應變電子器件在滿足微電子行業一些關鍵需求方面的機遇。
圖1.壓電門控應變電子石墨烯場效應晶體管的制備和表征。應變電子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）結構的PZT膜的極化（P）與電場（E）的關系。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應變儀上的電阻變化提取的PZT薄膜上作為偏壓函數的應變（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附近的兩個特征峰證實了單層石墨烯。（g） 在100 mV的源極-漏極電壓（VDS）下，在環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）的關系。（h）400個制造的GFETs的傳輸特性中的器件到器件的變化。在這400個GFET上，（i）電子和（j）空穴分支的峰值跨導的分布以及（k）電子和。
圖2:GFET中的應變循環。（a）應變彈性和（b）應變循環后應變轉化的GFET的示意圖和SEM圖像。在應變轉換的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來打開和關閉。（d）應變彈性GFET和（e）應變轉換GFET在應變循環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。應變轉換GFETs顯示出超過10
7的巨大開/關電流比，而應變彈性GFETs繼續顯示出<10的較差開/關電流比。
圖3.構造一個應變電子物理不可克隆函數（SPUF）。（a） 由16個GFET組成的代表性SPUF的光學圖像。（b） 通過應變循環構建SPUF的過程以及（c）隨后的SPUF穩定性。（d） 應變轉換的GFET的開關閾值（VST）的分布，即裂紋打開/閉合的VBG。SPUF構建和穩定性測試期間（e）均勻性（p）和（f）熵（e）的演變。正如預期的那樣，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構建過程結束時，均勻性和熵分別達到其理想值0.5和1，并在隨后的SPUF穩定性測試中繼續保持相同。（g） 自相關函數（ACF）作為SPUF構造和隨后的穩定性測試周期期間的滯后（比特延遲）的函數。正如預期的那樣，所制造的SPUF顯示出很強的相關性，這種相關性在SPUF構造結束時減弱并變為零，并在穩定性測試循環期間保持不變。
圖4.SPUF的特性。（a） 25個SPUF的熵（E）和（b）均勻性（p）。（c） 從25個SPUF獲得的300（
25C
2）對挑戰-反應對（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之間的相關系數（CC）的直方圖。
圖5. SPUF可靠性。代表性的（a）轉化應變和（b）應變彈性GFET的轉移特性作為天數的函數。（c） 作為天數的函數的相應誤碼率（BER）。CRP中的16個比特中沒有一個被翻轉，導致BER＝0，并確認SPUF隨著時間的推移是穩定的。代表性的（d）應變轉換的GFET和（e）使用范圍從20到100 mV的不同VDS測量的應變彈性GFET的傳遞特性。（f）作為VDS的函數的對應BER。BER＝0，確認SPUF對電源電壓變化的彈性。實驗測量的CRP和從基于NF＝1、2、4和8階傅立葉級數的回歸分析獲得的預測的CRP之間的（g）預測精度、（h）HD和（i）CC的色圖。
相關研究成果由賓夕法尼亞州立大學Saptarshi Das 等人2023年發表在Nano Letters (https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.3c01145)上。原文：A Graphene-Based Straintronic Physically Unclonable Function。
轉自《石墨烯研究》公眾號
