CN113758956A - 基于微腔激光的puf器件 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于微腔激光的光学PUF，包括衬底以及生长于衬底表面密度、位置、尺寸、形貌、接触数目随机变化的半导体微球。本发明利用半导体微球优异的增益与谐振特性，在较低泵浦阈值下实现高品质窄线宽单模微腔激光输出。基于半导体微腔对激光波长的调制，本发明利用微球制备工艺过程中微球特征的随机多样性可实现高强度窄线宽激射峰构成的随机光谱响应，具有硬件指纹特征，不可克隆的制备随机性与不可预测的激励——响应物理机制使得本光学PUF难以被逆向破解与复制篡改。因此，本发明提出的光学PUF是一种安全的物理不可克隆功能器件。

Description

基于微腔激光的PUF器件
技术领域
本发明涉及信息安全与半导体光电技术领域，具体涉及一种基于微腔激光的物理功能不可克隆(Physical Unclonable Function，简称PUF)器件。
背景技术
智能器件与数据存储是当代文明演化与发展的基石，特别是防伪、身份认证、密钥通讯等对信息安全有着极高要求的领域，亟需独一无二的安全秘钥。生成、存储与检索安全秘钥高度依赖于伪随机数算法或者具有硬件数字指纹的PUF，提出了不可复制与不可预测的基本要求。尽管伪随机数算法在信息安全领域发展迅速，但该方案长期面临着超级计算机破解、黑客攻击、难以应用于嵌入式设备等问题。近年来，基于不可克隆的制备随机性与不可预测的激励——响应物理机制，PUF获得了迅速发展，具有天然的防篡改与抗破解能力。
PUF可进一步分为电学PUF与光学PUF。基于集成电路技术优势迅速发展起来的硅芯片PUF目前在较高安全级别应用领域获得了普遍应用。尽管如此，该类芯片很容易被伪造、篡改、回放攻击与旁道攻击，且位错率高，易受环境因素干扰。此外，线性物理响应机制使其易受到机器学习攻击。光学PUF主要是通过硬件指纹诱导的各类光学响应进行编码，具有信息密度高、物理机制复杂等优点。基于荧光纳米材料的PUF很大程度上解决了传统相干散射光学PUF鲁棒性较弱的难题，且伴随自发辐射过程的量子涨落增加了物理复杂度，通过多种荧光纳米材料混合可进一步提升响应的复杂度。尽管如此，发展新型PUF，在单一材料上提高响应复杂度、进一步引入更复杂的物理机制是实现更高安全级别与信息密度的最佳路径。
发明名称《一种可重构并防窥探的光学PUF》(专利号201510951090.7)公开了一种可重构并防窥探的光学PUF，包括衬底、生长于衬底上的介质纳米颗粒层以及在介质纳米颗粒层中随机掺杂的不同粒径的金属纳米粒子；通过采用在介质纳米粒子散射层中掺杂了不同粒径的金属纳米粒子，利用不同尺寸金属纳米粒子对光的吸收选择性，使得光学PUF对于入射激光的波长极其敏感。该编码方案主要利用颗粒的光散射特性进行编码，与颗粒材质无关。基于光散射实现的光学PUF鲁棒性不足，并受到使用过程形成的指纹、划痕的干扰。该专利选择金属材料主要是利用金属颗粒等离子体激元共振增强特定波长吸收，便于使用特定波长来熔融改变金属颗粒的结构来实现结构更新的目的，金属材料的选择本身与光学PUF编码没有直接关联。本专利基于半导体微球内在的谐振腔激射特性进行编码，受使用过程干扰较小，且可以直接通过泵浦激光能量来调制更新PUF编码响应，具有更强的灵活性与可调谐能力。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于微腔激光的光学PUF，利用微球制备工艺过程中微球特征的随机多样性可实现荧光光谱响应或高强度窄线宽激射峰构成的随机光谱响应，具有硬件指纹特征，不可克隆地制备随机性与不可预测的激励——响应物理机制，使得本光学PUF难以被逆向破解与复制篡改。
本发明提供的技术方案如下：
一种基于微腔激光的光学PUF，其特点在于：包括衬底和半导体微球，半导体微球生长在所述的衬底的表面，所述的半导体微球的密度、位置、尺寸、形貌、接触数目呈随机分布。所述半导体微球在尺寸、形貌、接触数目方面的随机变化使其激射阈值存在随机特征。在具有高斯光斑分布的泵浦激光激励下，所述半导体微球的密度、位置、激射阈值等随机分布特征使其可以随机产生荧光响应或高强度窄线宽激射响应。
所述的衬底为单晶硅片。
所述半导体微球采用的材料为CsPbX3钙钛矿结构，X元素可以为Cl、Br或I中的一种或两种卤素混合。
所述的半导体微球在衬底表面的密度随机分布为0.04～0.12/μm2，使得激励光斑所覆盖的半导体微球数目服从稀有事件所特有的泊松统计分布，为描述与调控光学PUF统计性质提供理论依据。
所述半导体微球的尺寸随机分布范围为0.2～1.5μm，微球体积足以提供谐振激光激射所需的增益性能，同时避免多模竞争而降低激射模式的能量密度。
所述的半导体微球的形貌包括球、椭球、立方体或多面体随机分布。
所述的半导体微球可以相互接触，接触数目随机分布(1～4个)。
可采用化学气相沉积方法，利用气流(N2,Ar)将从坩埚中高温蒸发的CsX与PbX2前驱体原料以一定的速率携带至硅片上，并自然冷却，在硅片表面形成密度、位置、尺寸、形貌、接触数目随机分布的微球。
本发明使用时的工作原理是：
在环境条件下(室温、低于40％、标准大气压)，采用特定波长(高于材料带隙)的激光进行泵浦激励时，可以通过自发辐射受激放大与谐振腔选模实现与微腔谐振模式匹配的高强度窄线宽激射峰输出。所述半导体微球在尺寸、形貌、接触数目方面的随机变化使其激射阈值存在随机特征。在具有高斯光斑分布的泵浦激光激励下，所述半导体微球的密度、位置、激射阈值等随机分布特征使其可以随机产生荧光响应或高强度窄线宽激射响应，具有硬件指纹特征。
本发明的有益效果如下：
1、本发明基于微腔激光的光学PUF，微球在生长过程中自发形成密度、位置、尺寸、形貌、接触数目随机分布特征，信息量巨大，即使形貌特征与组分完全公开，基于当前高精密加工技术与3D打印技术也难以精确复制；激发波长对微腔尺寸、形貌、微腔之间的耦合敏感，微观上的微小偏差可能导致激发波长的明显漂移或者消失，使该光学PUF难以被篡改；微腔激光的激励——响应对涉及到复杂的微腔量子电动力学原理，难以被目前的机器学习方法攻击。
2、本发明可以在同种材料上实现多种受激辐射波长输出，极大的提高了信息密度与响应复杂度，可实现更高的安全级别。
3、本发明的鲁棒性非常强。传统基于激光散斑的光学PUF对激光装置的扰动(入射角、偏振状态、PUF装载误差、平台振动等)与日常使用痕迹(指纹、划痕、污染等)非常敏感，认证过程中误拒绝率非常高。本发明中的响应主要取决于激励激光的能量密度，只要激励激光的能量密度高于微球所决定的激射阈值，激射响应必然会发生。影响激射响应判定误差的主要因素是能量波动，当前商业激光器的能量波动通常可控制在3％以内，结合优异半导体光电性能所决定的低激射阈值，该能量波动对激射响应的认定影响几乎可忽略。
4、本发明虽然基于铅卤钙钛矿材料优异的光电性质而实现，易推广于更广泛的半导体微腔。
附图说明
图1为本发明基于微腔激光的光学PUF的结构示意图；
其中：1为衬底，2位半导体微球
图2为本发明的微球尺寸分布；
图3为本发明的微球密度差异；
图4为本发明的微球形貌差异；
图5为本发明的微球接触数目差异；
图6为本发明的数目与峰位随机变化的受激发射光谱。
图7为本发明的同一点位反射激励的响应鲁棒性
具体实施方式
一种由400nm波长飞秒激光泵浦激励的微腔激光光学PUF。
此光学PUF如图1所示，由图可见，本发明基于微腔激光的光学PUF，包括衬底(1)和半导体微球(2)，所述的半导体微球(2)生长在所述的衬底1的表面，所述的半导体微球的密度、位置、尺寸、形貌、接触数目呈随机分布。所述半导体微球在尺寸、形貌、接触数目方面的随机变化使其激射阈值存在随机特征。在具有高斯光斑分布的泵浦激光激励下，所述半导体微球的密度、位置、激射阈值等随机分布特征使其可以随机产生荧光响应或高强度窄线宽激射响应，具有硬件指纹特征。
实施例的制备过程如下：
1.衬底采用450μm厚度的单晶硅片。
2.将摩尔比为1:1的CsBr与PbBr2粉末分别放置于经超声清洗的刚玉舟中作为蒸发源，并放置于水平管式炉的中央。
3.将使用丙酮与去离子水清洗过的单晶硅片放置于水平管式炉中央下游8cm处；
4.将管式炉密封并抽真空至0.5Torr，随后以60sccm的速率充入N2，排干管内残余大气；
5.水平管式炉在1h内升温至900K，恒温保持0.5h，N2速率维持在30sccm；
6.停止加热，水平管式炉自然冷却至室温；
7.使用扫描电镜分析样品表面微球特征，使用imageJ分析微球尺寸分布；
8.使用波长为400nm的飞秒激光辐照样品表面，使用CCD收集辐照点位发射的光谱信号。
如图2所示，样品表面随机选择区域的微球尺寸随机分布在0.2～1.5μm，使用相同参数的激光在该区域内随机辐照局部点位时，可以观察到一定范围的受激发射波长。
如图3所示，样品表面随机选择两个区域的微球密度分布差异较大，分别为0.0486/μm2与0.0958/μm2，使用相同参数的激光辐照这两个区域时，将辐照到不同数目微球，可以观察到不同的发射峰数目。
如图4所示，样品表面微球的形貌随机分布，使用相同参数的激光随机辐照局部点位时，谐振腔模式的随机变化导致观察到的受激发射波长的变化。
如图5所示，样品表面微球的接触数目是随机的，微球之间的耦合效应调制了模式分布与激发波长，对观察到的激发峰位增加了不确定性。
如图6所示，上述多种随机因素共同作用导致所观察到的光谱峰位与峰数的随机性。
如图7所示，上述激射响应在同一点位的重复激励下具有非常强的鲁棒性。
以上所述仅为本申请的实施例，并非因此限制本申请的专利范围，凡是利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，例如各实施例之间技术特征的相互结合，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本申请的专利保护范围内。

Claims (7)

1.一种基于微腔激光的光学PUF，其特征在于：包括衬底(1)和半导体微球(2)，所述半导体微球(2)生长在所述衬底(1)的表面，所述半导体微球(2)的密度、位置、尺寸、形貌、接触数目呈随机分布特征，从而在具有高斯光斑分布的泵浦激光激励下，随机产生荧光响应或高强度窄线宽激射响应。
2.根据权利要求1所述的基于微腔激光的光学PUF，其特征在于：所述衬底(1)为单晶硅片。
3.根据权利要求1所述的基于微腔激光的光学PUF，其特征在于：所述半导体微球(2)采用的材料为CsPbX3钙钛矿结构，X元素可以为Cl、Br或I中的一种或两种卤素混合。
4.根据权利要求1所述的基于微腔激光的光学PUF，其特征在于：所述半导体微球(2)在衬底(1)表面的密度随机分布为0.04～0.12/μm2。
5.根据权利要求1所述的基于微腔激光的光学PUF，其特征在于：所述半导体微球(2)的尺寸随机分布范围为0.2～1.5μm。
6.根据权利要求1所述的基于微腔激光的光学PUF，其特征在于：所述半导体微球(2)的形貌包括球、椭球、立方体或多面体随机分布。
7.根据权利要求1至6任一项所述的基于微腔激光的光学PUF，其特征在于：所述半导体微球(2)可以相互接触，接触数目随机分布1～4个。
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