用于基于时间加密的双状态可编程氧化物晶体管

《Advanced Materials》：Dual-State Programmable Oxide Transistor for Time-Based Cryptography

　　

随着传统数字计算在可扩展性和能效方面日益受到限制，基于器件固有物理动力学的计算已成为一种有前景的替代方案。在此背景下，三端器件因其额外端子为实现比两端器件更高阶的动力学提供了更大的灵活性而备受关注。本文提出了一种双态可编程氧化物晶体管（DUPOT），该器件展现出一种此前未见报道的高维动力学行为，其阈值电压（Vth）和饱和电流（Isat）均可独立调节。此外，编程后的Vth状态表现出长时记忆（LTM）特性，而Isat状态则表现出短时记忆（STM）行为，从而实现了更复杂的计算功能。研究人员阐明了其工作机制并展示了鲁棒性，进一步展示了其在时间基密码学中的应用，充分利用了其丰富的动力学行为。研究人员的阵列级演示支持多种形式的时间基密码学，包括定时释放加密和时间约束加密，并可扩展到云密码系统，这标志着高阶动力学计算器件研究的一个新里程碑。

论文解读：双态可编程氧化物晶体管及其在时间基密码学中的应用

研究背景与动机

随着传统数字计算逼近其物理极限，尤其是在可扩展性和能效方面，探索基于器件内在物理动力学的新型计算范式成为重要方向。相较于两端器件，三端器件凭借其额外的控制端子，能够实现更丰富、更高阶的动力学行为，为超越传统冯·诺依曼架构的计算提供了新的可能性。然而，现有研究多聚焦于利用时间维度引入的动态复杂性，对于在不依赖时间演变的情况下，仅通过转移特性本身即可展现固有复杂性的器件探索尚不充分。具体而言，传统晶体管的转移曲线是固定的，为一维关系；通过栅氧化层工程引入存储功能后，可实现沿栅极电压（V_G）轴的二维调节。若要进一步提升器件的计算维度，则需要实现对饱和电流（I_sat）轴的独立调控，从而在转移特性中引入第三个自由度。本研究旨在开发一种能够独立且协同地调控阈值电压（V_th）和I_sat的新型晶体管，并探索其在高安全性计算应用中的潜力。

主要技术方法

研究人员采用等离子体增强原子层沉积（PEALD）技术在低温下生长富含缺陷的非晶HfO₂薄膜作为电荷俘获层，并在其上沉积非晶铟锌氧化物（IZO）作为沟道层，制备了底栅结构的双态可编程氧化物晶体管（DUPOT）。研究中使用了透射电子显微镜（TEM）和快速傅里叶变换（FFT）对器件截面和材料结晶状态进行了表征，并利用X射线光电子能谱（XPS）分析了HfO₂、Ta₂O₅和ZrO₂等不同栅介质薄膜中的非晶格氧含量。电学特性测试则通过半导体参数分析仪完成，包括直流扫描和脉冲测量。

研究结果

2.1 DUPOT结构及其阈值/电流可调电学特性

通过施加正编程栅压（V_{G, PGM}），电子被注入并俘获在HfO₂层中，导致V_th正向漂移，且漂移量随脉冲幅度增加呈模拟特性，此状态表现出长时记忆（LTM）特性，数据保持超过1000秒。相反，施加负重置栅压（V_{G, RESET}）后，器件的I_sat会显著降低约两个数量级，但V_th保持不变。随后，I_sat会在约160秒内逐渐恢复，表现出短时记忆（STM）行为。这种I_sat的抑制与恢复归因于氧离子在HfO₂/IZO界面的迁移与弛豫。循环耐久性测试表明，程序/擦除和重置/恢复操作均能在10³次循环内稳定工作。

2.2 DUPOT的工作机制

非晶HfO₂栅氧化层是实现双重功能的核心。其丰富的缺陷位点（如氧空位V_O）既可作为电子俘获中心实现V_th调制，又可在电场驱动下使氧离子发生迁移。通过对比实验发现，采用PEALD生长的Ta₂O₅和ZrO₂作为栅介质的对照器件仅能实现V_th漂移，无法复现I_sat重置行为，这归因于HfO₂薄膜中显著更高的非晶格氧含量（19.32%）。能带图分析进一步阐明：编程时，电子通过场致隧穿注入HfO₂深能级陷阱；重置时，氧离子在负栅压下被驱向沟道界面，增大了界面势垒并耗尽沟道电子，从而降低迁移率和I_sat。这两种机制物理上相互独立，使得V_th和I_sat可以被独立或同时调制。

2.3 基于DUPOT阵列的时间基密码学应用

由于DUPOT的I_D状态可由V_{G, PGM}、V_{G, RESET}和读取时间（t_READ）三个变量共同决定，因此时间本身可以作为信息载体。研究人员在一个3×3的DUPOT阵列上演示了两种时间基密码学方案：

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  时间释放加密（TRE）：目标单元使用相同的V_{G, RESET}进行重置（STM模式），背景单元则用不同的V_{G, PGM}编程至随机噪声水平（LTM模式）。随着时间推移，目标单元的电流逐渐恢复，当超过背景单元电流时，隐藏的目标图案“T”变得可读。
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  时间约束加密（TBE）：目标单元被编程为在特定预设时间点达到一个预定义的电流值，而背景单元则被设置为在该时间点呈现非目标电流。研究人员还故意设计了一个在较早时间点出现的诱饵图案“K”来迷惑攻击者，最终只有正确的目标图案“T”在指定的37秒时刻被揭示。

2.4 基于时间约束密钥的云密码系统

将上述概念扩展至云通信场景，研究人员提出了一个基于硬件的时间约束密钥分配系统。该系统采用异或（XOR）加密原理。数据拥有者设定两个时间密钥（TK1和TK2），并将数据密钥（DK）编码为两组时间约束DK。明文与基于TK1生成的密文进行XOR运算，产生一组时间约束密文上传至云端，其中仅在TK1时刻的密文是可解密的。用户获得基于TK2的DK后，在TK1时刻从云端获取正确密文，并在TK2时刻恢复出正确的DK，最终通过XOR运算还原明文。在3×3阵列上的演示成功恢复了字母“H”。通过对所有16种密钥组合的解密图案进行变异系数（CV）、区分度指数（d'）和汉明距离（HD）分析，证实只有正确的密钥对（1.5秒和8.4秒）才能产生完美且唯一的解密结果。

总结与讨论

论文讨论了实际应用中需解决的两个关键问题。首先是工作电压较高（编程+20V，重置-35V），导致能耗较大，未来可通过优化更薄的栅介质叠层来降低电场，从而实现更节能的操作。其次是器件对温度变化敏感，因为氧离子的弛豫过程是热激活的。为此，研究人员采用了基于参考状态的校准方法，通过测量与参考器件的电流差值而非绝对值来确定器件状态，成功补偿了温度引起的漂移。

研究结论翻译：

在这项工作中，研究人员开发了一种新型器件，能够独立控制转移曲线的阈值电压和饱和电流，阐明了其潜在机制，并最终在阵列层面展示了这一功能如何用于一种新的计算应用——时间基密码学。这项研究是一个重要的里程碑，展示了新发现的器件动力学如何转化为新兴的计算功能。