基于非晶氧化镓分子束外延的光电探测与物理不可克隆功能认证研究

《IEEE Photonics Technology Letters》：α-Ga2O3 Molecular Beam Epitaxy for Photodetection and Authentication

本刊推荐：为解决光学通信与认证领域对高安全性、防篡改解决方案的需求，研究人员开展了基于α-Ga2O3分子束外延的光电探测器研究。该器件同时具备高性能日盲紫外光探测和物理不可克隆功能(PUF)实现能力，通过卷积神经网络(CNN)认证准确率达99.58%，为集成光电探测与硬件安全的一体化解决方案奠定基础。

　　

在当今数字化时代，光学通信和身份认证系统对安全性的要求日益严苛，传统加密技术面临被破解的风险。特别是在物联网设备呈指数级增长的背景下，开发能够同时实现高性能光电探测和硬件级安全功能的新型器件成为迫切需求。物理不可克隆函数(PUF)技术利用半导体制造过程中固有的随机性差异，为每个器件生成独一无二的"数字指纹"，这种基于硬件物理特性的认证机制具有抗克隆、防篡改的独特优势。

以往研究多集中于可见光至近红外波段的光电器件，而对紫外波段特别是日盲紫外区域(波长小于280纳米)的探索相对有限。日盲紫外探测器因其在大气中自然衰减的特性，在安全通信、环境监测等领域具有独特优势。氧化镓(Ga₂O₃)作为超宽禁带半导体材料，其禁带宽度达4.8-5.3电子伏特，是制备日盲紫外光电探测器的理想材料。然而，如何在同一器件中整合光电探测和安全认证双重功能，仍是学术界和工业界面临的挑战。

研究团队创新性地利用等离子体辅助分子束外延(PA-MBE)技术生长α相氧化镓(α-Ga₂O₃)薄膜，并基于此制备金属-半导体-金属(MSM)结构的光电探测器。该研究的独特之处在于发现了生长材料中同时存在单晶和非晶区域的混合相结构，这种本征的结构不均匀性为PUF应用提供了理想的随机性来源。

研究团队采用了几项关键技术方法：通过透射电子显微镜(TEM)分析材料微观结构，确认了α-Ga_{23薄膜中单晶区域与非晶区域的共存；利用半导体参数分析仪测试器件在黑暗和260纳米紫外光照条件下的电流-电压特性；通过可调频率光学斩波器研究器件的持久光电导(PPC)效应和配对脉冲促进(PPF)指数；采用一维卷积神经网络(1D CNN)对五个不同器件在三种偏压条件下的光电流响应信号进行分类认证。}

材料表征结果显示，透射电子显微镜分析揭示了α-Ga₂O₃薄膜独特的结构特征。高分辨率TEM图像显示材料中存在纳米尺度的单晶α-Ga₂O₃区域，这些晶域被非晶基质包围，形成混合相结构。相应的快速傅里叶变换(FFT)图谱中既出现明显的衍射斑点，也显示弥散晕环，进一步证实了晶相与非晶相的共存。这种结构特性为后续器件性能的随机性提供了材料基础。

器件光电性能方面，制备的MSM光电探测器在±8伏偏压下的暗电流约为1.6×10^-9安培，光电流达1.1×10^-7安培，表现出良好的光暗电流比。光电流衰减过程可通过三指数弛豫模型精确拟合，三个衰减时间常数分别为0.21秒、1.76秒和13.73秒，对应不同的载流子复合机制。研究发现器件表现出显著的持久光电导效应，在4赫兹光脉冲激励下，配对脉冲促进指数稳定在约130%，这种记忆效应为神经形态计算和认证应用提供了基础。

认证性能评估是本研究的核心创新点。研究人员从同一晶圆上随机选择五个器件，在260纳米紫外光照(4赫兹调制)和不同偏压条件(1伏、2伏、3伏)下记录光电流响应信号作为PUF特征。通过一维卷积神经网络对信号进行分类，网络架构包含输入层、两个卷积池化层、扁平化层和两个全连接层，输出对应15种类别(5个器件×3种偏压)。训练过程中，模型迅速收敛，验证准确率在43个训练周期内达到99.58%，混淆矩阵显示各类别间区分度极高，误分类极少。

本研究首次实现了基于α-Ga₂O₃光电探测器的双功能集成方案，成功将日盲紫外光探测与硬件安全认证功能融合于单一器件。材料生长过程中形成的混合相结构以及制造过程中的自然变异共同增强了器件的认证能力。持久光电导效应导致的独特光电流响应模式可作为可靠的数字指纹，而机器学习算法的高精度分类验证了这种认证机制的可行性。这项工作为开发全尺寸器件识别和认证框架奠定了基础，未来可通过引入更多挑战参数(如波长、脉冲宽度等)进一步提升系统安全性。这种将光电探测与PUF认证相结合的技术路线，为高安全环境下的光学通信、物联网设备认证和航空航天应用提供了新思路，展示了超宽禁带半导体在安全光电领域的巨大潜力。