《Vacuum》：Material-based uniqueness in InSb thin films: Flash Evaporation Epitaxy as a tool for secure device engineering
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本研究采用改进的Flash Evaporation Epitaxy（FEE）真空系统制备InSb/GaAs异质结构，通过元素映射、SEM和AFM分析证实其化学和结构均一性，但电学特性呈现统计分布的随机性，揭示FEE工艺的固有材料唯一性，为物联网设备提供基于物理不可克隆函数的硬件认证解决方案。
Piotr Ka?uziak | Jan Raczyński | Semir El-Ahmar | Marta Przychodnia | Marek Nowicki | Ryszard Czajka | Wojciech Koczorowski
波兰波兹南工业大学物理研究所，Piotrowo 3，60-965 波兹南
摘要
在这项工作中，我们研究了闪蒸外延（FEE）作为一种制造InSb/GaAs异质结构的方法，该方法能够在保持结构和化学均匀性的同时表现出内在的电学可变性。使用改进的基于FEE的高真空装置生长了n-InSb/i-GaAs系统。平面视图和横截面的元素分布显示锑和铟原子具有接近的化学计量比，氧的掺入量较低，仅为1 at.%。扫描电子显微镜（SEM）和原子力显微镜（AFM）分析证实了表面的均匀性。对完整晶圆和逐步结构化区域的电学表征显示，随着X-Y范围的变化，片状电阻也发生变化，这种变化超出了实验的不确定性。这些变化形成了电学参数的统计分布，这是由于FEE方法的特性而非显著的结构或化学计量不均匀性所致。这种分布定义了薄膜的基于材料的独特性。虽然通常被视为一种限制，但在这里它被证明是一种功能优势，可用于生成适用于硬件级真实性验证系统的独特物理特征。
引言
锑化铟（InSb）是一种晶体半导体，其特征是能隙窄（约0.2 eV）和极高的载流子迁移率——在室温（RT）下，电子的迁移率为78,000 cm2/V s，空穴的迁移率为850 cm2/V s [1] [2]。InSb薄膜被用作高性能电子设备中的活性层 [3]。载流子的高迁移率使得红外（IR）光电探测器能够在高频下工作，从而提高其灵敏度 [4]，并确保即使在极端条件下也能有效工作 [5] [6]。此外，InSb薄膜与表面声波（SAW）光电探测器的集成扩展了它们在红外光谱中的功能，促进了在电信和环境监测中的新应用 [4]。在光电子学中，具有均匀结构的InSb薄膜可以提高发光二极管（LED）和激光二极管的效率，增强光发射。InSb的表面反应性使其适用于生物传感应用，允许在生物传感器中进行精确检测 [7]。这些优异的性能促使InSb活性通道在专用电子设备中的广泛应用 [1] [2] [8] [9] [10]。众多出版物证实了InSb应用的广泛性，这表明需要优化InSb/GaAs异质结构的结构和传输特性，以获得高性能的磁性和红外传感设备 [11] [12] [13] [14] [15]。
InSb薄膜在砷化镓（GaAs）基底上的外延技术已经发展了几十年，使得基于真空的制造技术能够以高重复性和精确的化学成分控制达到商业水平 [16] [17] [18]。基于真空的技术的应用保证了高纯度薄膜化合物的制备，并能控制其化学计量比 [19]。InSb薄膜可以通过金属有机气相外延（MOVPE）[8] [20] 或分子束外延（MBE）[17] 来生产。研究表明，薄膜厚度显著影响InSb薄膜的电学、光学和结构特性 [21]。MOVPE方法用于商业应用，可实现快速的大规模生长，并能精确控制薄膜的厚度和掺杂。
然而，值得一提的是，MBE技术是在超高真空（UHV）条件下共蒸发In和Sb原子的方法，虽然耗时较长，但能实现更精确的厚度控制，从而获得比成本较低的MOVPE更低表面缺陷密度 [8]。在MBE方法中，使用薄的中间层（如InAs、InAlSb）可以减少InSb/(111)GaAs体系中的晶格失配（约15%），改善薄膜形态 [22] [23] [24]。另一种方法是直接在GaAs上生长InSb而无需任何缓冲层，这简化了工艺流程，但增加了对表面制备和缺陷形成的敏感性 [25]。脉冲激光沉积（PLD）是另一种沉积InSb薄膜的方法，可精确控制生长参数并实现非平衡生长 [26]。飞秒脉冲激光沉积（FSPLD）由于脉冲持续时间短，可以最小化热效应，即使在350 K的低温下也能生长出高质量薄膜，但通常会导致较低的晶体质量 [27]。电沉积技术提供了一种经济且可扩展的方法来生产高质量的InSb薄膜，适用于各种基底 [7]。最后，InSb薄膜也可以在高真空（HV）条件下使用闪蒸法（FEE）有效制备 [16]。文献中广泛研究了InSb/GaAs异质结的结构和界面特性 [11] [23] [24] [25]。尽管之前的研究使用TEM和XPS阐明了InSb/GaAs界面的原子尺度特征 [28]，但FEE作为一种更简单的方法已被使用多年，仍然能够重复生长出高质量的晶体层 [16] [19] [29] [30]。然而，仍存在一些挑战，例如沉积过程中的通量不稳定性和In与Sb之间的蒸汽压差异导致层形态不均匀，这是由于在存在层-基底晶格失配的情况下无法控制生长动态所致。此外，基底取向由于轴向应变会影响薄膜质量，从而在快速生长过程中产生缺陷。在这种方法中，晶格失配会导致额外的成核位点，干扰薄膜的均匀生长，形成孤立的晶粒而不是连续的薄膜 [22]。
上述缺点，主要是层内的局部不均匀性，在特定应用中可以转化为优势。在物联网（IoT）时代，配备传感器的设备在技术进步中起着关键作用。同时，无线通信技术的发展增加了网络犯罪的风险，因为IoT系统容易受到攻击。提高这些系统安全性的一个潜在解决方案是使用具有不可克隆和独特特性的认证元素，例如物理不可克隆功能（PUFs）[31]。PUFs利用物理特性的固有随机性（无论是自然效应还是制造过程的结果）来生成独特的加密密钥，类似于指纹。认证机制必须基于这些独特的密钥来生成响应，确保物理系统内的随机不均匀性防止未经授权的复制。到目前为止，已经实现了几种PUF技术，包括基于MOSFET的架构和对不均匀表面的光谱映射 [32]。在PUF技术中，还利用了光学特性，例如通过垂直排列的二硫化钼（MoS?）纳米片和二氧化钛（TiO?）聚集体。它们的能带对齐促进了光生电子的转移，使亮态失活，并提供了熵源。这种方法允许以低成本和高通量生产紧凑型PUF，无需复杂的纳米制造 [33]。另一种PUF的应用方法是利用其电学参数，例如电流-电压（I-V）曲线的功能依赖性。本研究重点是从I-V曲线测量中提取物理模型参数，这对于分析BiFeO?忆阻器（BFOs）的电学特性和确保PUF的可靠响应至关重要。
在本文中，我们分析了FEE过程对在同一技术过程中生长的InSb薄膜的电学参数局部变化的影响。本研究主要关注未完全优化的表面系统在安全技术中的应用。通过利用沉积过程引起的电学特性的随机分布，我们定义了基于材料的独特性概念。所包含的电学表征涵盖了不同尺度上的多种测量配置和结构化系统，这些系统使用了不同配置的电极。这种方法允许确定不均匀性的程度，包括尺度、电接触的具体架构以及结构化程序的影响。电学测量结果结合了对结构化InSb/GaAs系统的表面形态分析。这些分析包括：原子力显微镜（AFM）、扫描电子显微镜（SEM）和使用能量色散光谱（EDS）技术的元素映射。我们的发现证实，基于材料的固有独特性表现为电学参数的空间不均匀性，使得可以利用FEE沉积技术形成不可克隆的认证密钥，无论系统的规模和电极配置如何。进一步研究复杂的电结构、它们的电源和数据控制将有助于开发功能性的PUF设备。
节选内容
闪蒸方法
闪蒸外延（FEE）是一种真空技术，可以控制半导体化合物薄膜的沉积。图1a展示了InSb生长过程的FEE系统示意图。在系统中，材料以细颗粒（或粗粉末）的形式连续转移到加热的蒸发源中，并从那里闪蒸出来 [19]。蒸发的材料是通过粉碎高纯度块状晶体（使用Czochralski方法生长）并筛选得到的。
处理后的InSb薄膜表面的形态学表征
图6展示了结构化处理后系统的SEM和AFM显微镜表面形貌图像。SEM图像（图6a）中的InSb层与结构化处理前的表面相比没有形态学变化，表明抗蚀剂保护保持了未改变的表面结构。使用AFM技术仔细观察表面，发现晶粒的侧边尺寸在0.5到5 μm之间。
总结与结论
总之，我们展示了使用定制的高真空系统应用闪蒸外延（FEE）控制生长InSb薄膜（厚度约为1 μm）的过程。提供了包括生长参数和残余气体组成的详细描述。我们确认了InSb/GaAs(100)系统中形成了超纯界面。所得薄膜具有微观晶粒结构，并观察到元素分布均匀。
CRediT作者贡献声明
Piotr Ka?uziak：撰写——原始草稿，可视化，验证，项目管理，方法论。
Jan Raczyński：资源获取，项目管理，资金筹集。
Semir El-Ahmar：撰写——审稿与编辑，验证，资源获取，项目管理，方法论，资金筹集，形式分析，数据管理。
Marta Przychodnia：可视化，形式分析。
Marek Nowicki：数据管理。
Ryszard Czajka：撰写——审稿与编辑，验证，形式分析。
Wojciech
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。
致谢
本研究得到了波兰教育和科学部的支持，在项目编号和下进行。该研究还获得了国家研究与发展中心的资助，依据项目“MAGSET”的资助协议编号。
