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。我校物理学院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，并将其作为安全电路的基本单元，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。
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b）。团队研究发现，该器件具有非易失的存储性质，其转移曲线在编程(同时加一束光脉冲和背栅电脉冲)后展现出显著负向移动，这归因于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、超过5×10⁴s的阻态保持时间等优异的存储性能，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，并最终影响了源漏电流。
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c）。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。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。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a: 有密钥的安全电路原理图；图b: 光电晶体管的示意图;图c: 信息加密的物理机制。 定义黑暗和光照（波长405nm，持续时间100ms）分别为输入逻辑“0”和“1”。 一方面通过控制逻辑输入，实现调控h-BN/Al₂O₃界面处屏蔽电场的大小，另一方面通过改变栅极电压的大小和极性来改变栅极电场。这两个电场的协同作用实现了对沟道载流子浓度和类型的调控，最终影响了源漏电流。
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(DOI: 10.1021/acsnano.1c10978)。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。
附：
文章链接：https://doi.org/10.1021/acsnano.1c10978
缪峰教授课题组主页：http://nano.nju.edu.cn/