CN114580032B - 一种基于原子缺陷的量子物理不可克隆函数及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种基于原子缺陷单光子发射的量子物理不可克隆函数，包括宽禁带半导体薄膜，宽禁带半导体薄膜中随机分布有不同种类的原子缺陷，且宽禁带半导体薄膜为晶体结构；其中，原子缺陷受到激发光的照射时产生单光子，不同种类的原子缺陷发光不同，同一种原子缺陷在不同晶体环境中与周围原子的作用力不同，使产生的单光子的发射波长、荧光寿命和偏振态不同，发射波长、荧光寿命、偏振态和原子缺陷的深度作为量子物理不可克隆函数的编码维度。本申请中的量子物理不可克隆函数可以产生量子物理不可克隆函数，量子物理不可克隆函数的复制难度达到了原子级，具有极高的安全性。此外，本申请还提供一种具有上述优点的制作方法。
Description
技术领域
本申请涉及防伪认证领域，特别是涉及一种基于原子缺陷单光子发射的量子物理不可克隆函数及其制作方法。
背景技术
物理不可克隆函数(Physical Unclonable Function，PUF)是一种内部存在物理构造的部件，每当接收到一个激励信号变会产生一个唯一对应的响应信号，具有唯一性和随机性，在加密认证和软件IP保护等方面具有重要作用。
目前PUF主要有光学PUF、电学PUF，电学PUF的输入输出为简单的电学信号，可以被机器学习攻击，能够被建模并复制激励响应，安全性差；光学PUF基于多重散射原理，激励信号为光，虽然不可以被机器学习攻击，但是受到光学波长限制，散射粒子在百纳米量级，其安全性受日益发展的纳米3D打印技术的威胁。
因此，如何解决上述技术问题应是本领域技术人员重点关注的。
发明内容
本申请的目的是提供一种基于原子缺陷单光子发射的量子物理不可克隆函数及其制作方法，以提升产生的量子物理不可克隆函数的安全性。
为解决上述技术问题，本申请提供一种基于原子缺陷单光子发射的量子物理不可克隆函数，包括：
宽禁带半导体薄膜，所述宽禁带半导体薄膜中随机分布有不同种类的原子缺陷，且所述宽禁带半导体薄膜为晶体结构；
其中，所述原子缺陷受到激发光的照射时产生单光子，不同种类的所述原子缺陷发光不同，同一种所述原子缺陷在不同晶体环境中与周围原子的作用力不同，使产生的所述单光子的发射波长、荧光寿命和偏振态不同，所述发射波长、所述荧光寿命、所述偏振态和所述原子缺陷的深度作为量子物理不可克隆函数的编码维度。
可选的，所述宽禁带半导体薄膜为下述任一种或者任意组合：
碳化硅薄膜、金刚石薄膜、氮化铝薄膜、氮化镓薄膜、铝镓氮薄膜、氮化硼薄膜。
可选的，还包括：
用于承载所述宽禁带半导体薄膜的衬底。
可选的，所述衬底为柔性衬底。
可选的，所述衬底为硬质衬底。
可选的，所述宽禁带半导体薄膜的厚度在100nm～10μm之间，包括端点值。
可选的，所述衬底的厚度在100μm～1000μm之间，包括端点值。
本申请还提供一种基于原子缺陷单光子发射的量子物理不可克隆函数制作方法，包括：
利用预设生长方式生长宽禁带半导体薄膜，得到基于原子缺陷单光子发射的量子物理不可克隆函数，所述宽禁带半导体薄膜中随机分布有不同种类的原子缺陷，且所述宽禁带半导体薄膜为晶体结构；
其中，所述原子缺陷受到激发光的照射时产生单光子，不同种类的所述原子缺陷发光不同，同一种所述原子缺陷在不同晶体环境中与周围原子的作用力不同，使产生的所述单光子的发射波长、荧光寿命和偏振态不同，所述发射波长、所述荧光寿命、所述偏振态和所述原子缺陷的深度作为量子物理不可克隆函数的编码维度。
可选的，利用预设生长方式生长宽禁带半导体薄膜之后，还包括：
在惰性气体氛围中，对所述宽禁带半导体薄膜进行退火处理。
可选的，所述预设生长方式为金属有机化合物化学气相沉积方式、分子束外延方式、原子层沉积技术、离子束沉积技术、磁控溅射技术中的任一种。
本申请所提供的一种基于原子缺陷单光子发射的量子物理不可克隆函数，包括宽禁带半导体薄膜，所述宽禁带半导体薄膜中随机分布有不同种类的原子缺陷，且所述宽禁带半导体薄膜为晶体结构；其中，所述原子缺陷受到激发光的照射时产生单光子，不同种类的所述原子缺陷发光不同，同一种所述原子缺陷在不同晶体环境中与周围原子的作用力不同，使产生的所述单光子的发射波长、荧光寿命和偏振态不同，所述发射波长、所述荧光寿命、所述偏振态和所述原子缺陷的深度作为量子物理不可克隆函数的编码维度。
可见，本申请中的基于原子缺陷单光子发射的量子物理不可克隆函数包括宽禁带半导体薄膜，宽禁带半导体薄膜中随机分布有不同种类的原子缺陷，当受到激光发照射时，原子缺陷会产生单光子，即形成量子物理不可克隆函数，并且由于不同的原子缺陷在不同晶体环境中与周围原子的作用力不同，可以产生不同发射波长、荧光寿命和偏振态的单光子，发射波长、荧光寿命和偏振态可作为量子物理不可克隆函数的编码维度，同时，不同深度的原子缺陷产生的单光子也不同，也即量子物理不可克隆函数的编码维度包括发射波长、荧光寿命、偏振态和原子缺陷的深度。本申请中基于原子缺陷单光子发射的量子物理不可克隆函数产生的量子物理不可克隆函数的复制难度达到了原子级，具有极高的安全性。
此外，本申请还提供一种具有上述优点的制作方法。
附图说明
为了更清楚的说明本申请实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请所提供的一种基于原子缺陷单光子发射的量子物理不可克隆函数的结构示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
正如背景技术部分所述，目前PUF主要有光学PUF、电学PUF，这两种PUF的安全性差。
有鉴于此，本申请提供了一种基于原子缺陷单光子发射的量子物理不可克隆函数，请参考图1，包括：
宽禁带半导体薄膜2，所述宽禁带半导体薄膜2中随机分布有不同种类的原子缺陷3，且所述宽禁带半导体薄膜2为晶体结构；
其中，所述原子缺陷3受到激发光的照射时产生单光子，不同种类的所述原子缺陷3与周围原子的作用力不同，使产生的所述单光子的发射波长、荧光寿命和偏振态不同，所述发射波长、所述荧光寿命、所述偏振态和所述原子缺陷3的深度作为量子物理不可克隆函数的编码维度。
原子缺陷3的深度指原子缺陷3距离宽禁带半导体薄膜2上表面的距离。
宽禁带半导体薄膜2中随机分布有不同种类的原子缺陷3，当采用激发光照射宽禁带半导体薄膜2，原子缺陷3会发射单光子，测试宽禁带半导体薄膜2的光致发光光谱(PhotoluminescenceSpectroscopy，PL谱)得到图片，该图片即作为量子PUF的认证防伪识别特征图片。使用不同的波长的激发光进行照射，得到不同的图片，激发光的波长为激励(challenge)，对应的图片即为响应(response)，即得到量子PUF的激励响应对。
需要指出的是，激发光的能量需要略大于单光子发射的零声子线(ZPL)能量，激发光波长范围为266nm～1550nm。当激发光的波长越小，激发光子能量越大，可以激发某些原子缺陷3高能量ZPL单光子发射。但是，若激发光子能量远远大于单光子发射的ZPL能量，由于能量不匹配，能量损失大，吸收减弱也不利于单光子的发射。原子缺陷3(点缺陷)发光的光子能量与宽禁带半导体薄膜2的材料及其缺陷类型相关。
不同的激发光可以形成不同的激励-响应行为。例如，波长为266nm(4.66eV)的激发光，可以激发吸收能量小于4.66eV附近的部分原子缺陷3，因此在PUF上不同位置会有mapping的单光子发射图。波长为532nm(2.33eV)的激发光，可以激发能量略小于2.33eV的另外一些原子缺陷3，因此形成另外一幅不同的mapping图片。
本申请中宽禁带半导体薄膜2中原子缺陷3的类型很多，并且对于同一种原子缺陷3，当其周围的环境原子结构不同，需要的激发光的波长也不同，发光的能量、寿命、二阶相关性也不同。对于PUF而言，这是一种优势，可以提供更加丰富的响应信息，保证安全性。
宽禁带半导体薄膜2指禁带宽度在2.3eV及以上的半导体材料形成的薄膜，需要说明的是，本申请中对宽禁带半导体薄膜2的种类不做限定，可自行选择。例如，所述宽禁带半导体薄膜2包括但不限于为下述任一种或者任意组合：
碳化硅(SiC)薄膜、金刚石薄膜、氮化铝(AlN)薄膜、氮化镓(GaN)薄膜、铝镓氮(AlGaN)薄膜、氮化硼(BN)薄膜。
所述宽禁带半导体薄膜2的厚度可以在100nm～10μm之间，包括端点值。
当宽禁带半导体薄膜2的厚度较薄，自身不具有足够的支撑时，基于原子缺陷单光子发射的量子物理不可克隆函数还包括：
用于承载所述宽禁带半导体薄膜2的衬底1。
作为一种具体实施方式，所述衬底1为硬质衬底，硬质衬底可以为硅片、蓝宝石衬底、玻璃片、GaN基衬底及其结合结构等，本申请中不做具体限定。
作为另一种具体实施方式，所述衬底1为柔性衬底，柔性衬底包括但不限于聚酰亚胺衬底、聚对苯二甲酸乙二醇酯衬底、聚萘二甲酸乙二醇酯衬底。
所述衬底1的厚度可以在100μm～1000μm之间，包括端点值。
本申请中的基于原子缺陷单光子发射的量子物理不可克隆函数包括宽禁带半导体薄膜2，宽禁带半导体薄膜2中随机分布有不同种类的原子缺陷3，当受到激光发照射时，原子缺陷3会产生单光子，即形成量子物理不可克隆函数，并且由于不同的原子缺陷3在不同晶体环境中与周围原子的作用力不同，可以产生不同发射波长、荧光寿命和偏振态的单光子，发射波长、荧光寿命和偏振态可作为量子物理不可克隆函数的编码维度，同时，不同深度的原子缺陷3产生的单光子也不同，也即量子物理不可克隆函数的编码维度包括发射波长、荧光寿命、偏振态和原子缺陷3的深度。本申请中基于原子缺陷单光子发射的量子物理不可克隆函数产生的量子物理不可克隆函数的复制难度达到了原子级，具有极高的安全性。
本申请还提供一种基于原子缺陷单光子发射的量子物理不可克隆函数制作方法，包括：
利用预设生长方式生长宽禁带半导体薄膜，得到基于原子缺陷单光子发射的量子物理不可克隆函数，所述宽禁带半导体薄膜中随机分布有不同种类的原子缺陷，且所述宽禁带半导体薄膜为晶体结构；
其中，所述原子缺陷受到激发光的照射时产生单光子，不同种类的所述原子缺陷发光不同，同一种所述原子缺陷在不同晶体环境中与周围原子的作用力不同，使产生的所述单光子的发射波长、荧光寿命和偏振态不同，所述发射波长、所述荧光寿命、所述偏振态和所述原子缺陷的深度作为量子物理不可克隆函数的编码维度。
需要说明的是，本申请中对宽禁带半导体薄膜的预设生长方式不做限定。例如，预设生长方式可以为金属有机化合物化学气相沉积方式、分子束外延方式、原子层沉积技术、离子束沉积技术、磁控溅射技术中的任一种。
可选的，可以在衬底上生长宽禁带半导体薄膜。
本实施例中制得的基于原子缺陷单光子发射的量子物理不可克隆函数包括宽禁带半导体薄膜，宽禁带半导体薄膜中随机分布有不同种类的原子缺陷，当受到激光发照射时，原子缺陷会产生单光子，即形成量子物理不可克隆函数，并且由于不同的原子缺陷与周围原子的作用力不同，可以产生不同发射波长、荧光寿命和偏振态的单光子，发射波长、荧光寿命和偏振态可作为量子物理不可克隆函数的编码维度，同时，不同深度的原子缺陷产生的单光子也不同，也即量子物理不可克隆函数的编码维度包括发射波长、荧光寿命、偏振态和原子缺陷的深度。本申请中基于原子缺陷单光子发射的量子物理不可克隆函数产生的量子物理不可克隆函数的复制难度达到了原子级，具有极高的安全性。
在上述实施例的基础上，在本申请的一个实施例中，在所述衬底的上表面生长宽禁带半导体薄膜之后，还包括：
在惰性气体氛围中，对所述宽禁带半导体薄膜进行退火处理。
惰性气体可以使用氮气或者其他种类的气体，退火温度可以为1000℃，退火时间可以为3分钟。
本实施例中对生成的宽禁带半导体薄膜进行退火处理，可以使得宽禁带半导体薄膜中的原子缺陷获得一定的能量，一方面可以让一些背景杂质原子缺陷在退火过程中消失，使得背景噪声减小；另一方面，还可以使得原子缺陷获得迁移能，从而产生一些新的可大光子发射的原子缺陷。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
以上对本申请所提供的基于原子缺陷单光子发射的量子物理不可克隆函数及其制作方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本申请权利要求的保护范围内。
Claims (10)
1.一种基于原子缺陷单光子发射的量子物理不可克隆函数，其特征在于，包括：
宽禁带半导体薄膜，所述宽禁带半导体薄膜中随机分布有不同种类的原子缺陷，且所述宽禁带半导体薄膜为晶体结构；
其中，所述原子缺陷受到激发光的照射时产生单光子，不同种类的所述原子缺陷发光不同，同一种所述原子缺陷在不同晶体环境中与周围原子的作用力不同，使产生的所述单光子的发射波长、荧光寿命和偏振态不同，所述发射波长、所述荧光寿命、所述偏振态和所述原子缺陷的深度作为量子物理不可克隆函数的编码维度。
2.如权利要求1所述的基于原子缺陷单光子发射的量子物理不可克隆函数，其特征在于，所述宽禁带半导体薄膜为下述任一种或者任意组合：
碳化硅薄膜、金刚石薄膜、氮化铝薄膜、氮化镓薄膜、铝镓氮薄膜、氮化硼薄膜。
3.如权利要求1所述的基于原子缺陷单光子发射的量子物理不可克隆函数，其特征在于，还包括：
用于承载所述宽禁带半导体薄膜的衬底。
4.如权利要求3所述的基于原子缺陷单光子发射的量子物理不可克隆函数，其特征在于，所述衬底为柔性衬底。
5.如权利要求3所述的基于原子缺陷单光子发射的量子物理不可克隆函数，其特征在于，所述衬底为硬质衬底。
6.如权利要求1所述的基于原子缺陷单光子发射的量子物理不可克隆函数，其特征在于，所述宽禁带半导体薄膜的厚度在100nm～10μm之间，包括端点值。
7.如权利要求3所述的基于原子缺陷单光子发射的量子物理不可克隆函数，其特征在于，所述衬底的厚度在100μm～1000μm之间，包括端点值。
8.一种基于原子缺陷单光子发射的量子物理不可克隆函数制作方法，其特征在于，包括：
利用预设生长方式生长宽禁带半导体薄膜，得到基于原子缺陷单光子发射的量子物理不可克隆函数，所述宽禁带半导体薄膜中随机分布有不同种类的原子缺陷，且所述宽禁带半导体薄膜为晶体结构；
其中，所述原子缺陷受到激发光的照射时产生单光子，不同种类的所述原子缺陷发光不同，同一种所述原子缺陷在不同晶体环境中与周围原子的作用力不同，使产生的所述单光子的发射波长、荧光寿命和偏振态不同，所述发射波长、所述荧光寿命、所述偏振态和所述原子缺陷的深度作为量子物理不可克隆函数的编码维度。
9.如权利要求8所述的基于原子缺陷单光子发射的量子物理不可克隆函数制作方法，其特征在于，利用预设生长方式生长宽禁带半导体薄膜之后，还包括：
在惰性气体氛围中，对所述宽禁带半导体薄膜进行退火处理。
10.如权利要求8或9所述的基于原子缺陷单光子发射的量子物理不可克隆函数制作方法，其特征在于，所述预设生长方式为金属有机化合物化学气相沉积方式、分子束外延方式、原子层沉积技术、离子束沉积技术、磁控溅射技术中的任一种。
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