15、基于石墨烯对称场效应晶体管和硅纳米线场效应晶体管的IP隐私防护安全系统

基于石墨烯对称场效应晶体管和硅纳米线场效应晶体管的IP隐私防护安全系统

1. 引言

过去十年，为设计适用于网络安全操作系统的亚10纳米器件，人们对基于新颖性的器件技术展开了研究。由二维材料制成的隧道器件在低电压操作方面展现出良好潜力，成为设计数字电路和系统的有前景材料。一些新兴的隧道器件，如对称场效应晶体管（SymFET）和双极静电感应场效应晶体管（BiSFET）颇具吸引力。这些隧道器件的电流 - 电压（I - V）特性与金属 - 氧化物 - 半导体场效应晶体管（MOSFET）不同。SymFET器件在安全应用方面尤为出色，它功耗低、速度要求可控，与互补金属氧化物半导体（CMOS）逻辑电路相比，能实现更高效的动态能量利用。而且，CMOS技术并不支持安全应用，SymFET电路中的较大泄漏问题也成为一个有趣的挑战。这类器件最需要的特性是大的导通电流与关断电流比，以实现低功耗和低电压操作。凭借其独特的I - V特性，它为基于安全的电路设计带来了新的拓扑视角。在网络安全保护方案中，这些新方法正在硬件基础设施中发展，以支持安全策略，从而使系统级的保护方案更加有效。

2. 石墨烯

石墨烯是一种单原子厚度的二维材料，由sp²键合的碳原子组成，因其独特的蜂窝状晶格结构而备受关注。每个碳原子在结构中的间距约为1.42 Å。2s轨道与平面内的2px和2py轨道杂化，形成夹角为120º的三分共价键，同时在垂直于平面的pz轨道上形成较弱的π键。石墨层之间通过范德华力相互作用，这种作用力较弱，使得石墨烯很容易被分离成薄片。在石墨结构中，π键确保了其电子传导特性。石墨烯的电子能带结构可通过紧束缚理论测量，其导带和价带之间的带隙为零，在布里渊区的狄拉克点处，价带和导带重合。

2.1 石墨烯的电子特性

石墨烯的出现促使科学家们在开发各种传感器应用的电子设备时采用严谨的方法。在电子器件领域，非线性短沟道效应是一个主要问题，但像石墨烯这样的二维材料即使在沟道长度非常小时也不会出现短沟道效应，因此比硅材料更高效。石墨烯的结构也是其具有吸引力的基本原因之一。三个sp²杂化轨道与最近的碳原子以120°的角度对称分布，形成σ键，这使得石墨烯成为最强的材料之一。在狄拉克点附近，石墨烯呈现线性色散关系，导带和价带在狄拉克点相遇，此时能带对称，费米能级处的能带密度为零。由于石墨烯只有一个原子厚度且无质量，电子的运动速度相对接近光速。此外，石墨烯不像碳纳米管那样存在背散射现象，这提高了载流子迁移率，使得载流子在材料中的传输完全是弹道式的。高迁移率和高速度使石墨烯适用于高频数字和模拟电路，成为场效应晶体管（FET）行业在各种应用中的有前途的材料。

3. 石墨烯场效应晶体管

石墨烯被发现后，研究人员曾希望它能取代硅材料。然而，由于其零带隙特性，无法使FET完全关断，导致泄漏电流增大和能量过度耗散。研究人员尝试了多种方法来诱导石墨烯产生带隙，如制备纳米带、进行表面功能化等，但都未能使石墨烯适用于数字逻辑设计。带隙对于低功耗器件的开关活动至关重要，石墨烯缺乏所需的带隙，使得它难以用于低功耗的开关比应用。不过，基于石墨烯的FET适用于传感器应用。最终，研究人员通过量子隧穿方法设计出了一种新的石墨烯晶体管架构，这种晶体管具有高开关比，适用于高频操作，为基于石墨烯的纳米电子应用开辟了新途径。

4. 石墨烯对称场效应晶体管（SymFET）

4.1 石墨烯SymFET的制造

石墨烯h - BN石墨烯SymFET结构的制造过程如下：首先，通过化学气相沉积（CVD）方法获得石墨烯，并将其转移到硅衬底上90 nm厚的SiO₂层上。对石墨烯进行图案化后，在底层石墨烯上沉积Ni/Au接触层，再使用电子束蒸发沉积Ti层作为保护层。通过CVD方法在Ni上生长六方氮化硼（h - BN），将氨硼烷在Ar:H₂气体存在的情况下加热到衬底上，并快速冷却10分钟，形成多层（3 - 4层）h - BN，通过透射电子显微镜（TEM）表征确认。然后，在湿转移的h - BN上形成石墨烯，并在石墨烯层上制作Ni/Au接触层作为顶栅接触。底栅控制底层的载流子浓度，而栅极则控制石墨烯层。

4.2 器件结构

石墨烯SymFET的结构中，绝缘层（如氮化硼BN）用于分隔两层石墨烯，形成石墨烯 - 绝缘体 - 石墨烯（GIG）结构，夹在顶栅和底栅之间。BN是一种二维材料，可降低界面陷阱密度，减少悬空键。它与石墨烯具有相似的六边形晶格结构，与石墨烯堆叠时能提供光滑表面。石墨烯层分别实现欧姆接触，代表源极（S）和漏极（D）。在该结构中，顶电极被视为n型掺杂区，底电极被视为p型掺杂区。顶栅电压（VTG）和底栅电压（VBG）由准费米能级（μn和μp）控制，在石墨烯层中，准费米能级表示为ΔE，n型区域的费米能级在狄拉克点上方ΔE处，p型区域则在狄拉克点下方。在石墨烯中，顶栅和背栅是对称的，即VTG = -VGB = VG，漏源电压VDS = VD - VS。

4.3 器件操作

石墨烯SymFET的操作原理如下：在狄拉克点处，如果顶层和底层的能带发生偏移，单个能级将满足能量和动量守恒条件，此时隧穿电流较小；当VDS = 2ΔE/q时，两层能带对齐，费米能级（μn和μp）之间所有能量的电子都能满足能量和动量守恒，隧穿电流增大。

4.4 器件的电气特性

SymFET的电气特性提供了电极上电导率分布的信息。当隧穿厚度减小或相干长度增大时，隧穿电流密度增大，石墨烯层中的电压降减小。例如，在Kt = 17 nm⁻¹、tt = 0.66 nm（约2层BN原子层）、L = 50 nm的条件下测量SymFET的I - VDS特性，使用一维近似（N = 0）和由20个分布式单元组成的二维模型（N = 20）得到的结果完全匹配。选择栅极电压Vg = -0.76 V时，可获得对称的I - VDS特性。当保持相干长度L = 50 nm，将隧穿厚度从0.66 nm减小到0.33 nm时，电阻元件上的电位降足以增加隧穿电流，此时二维模型的结果与一维近似结果出现偏差。

以下是SymFET设计中考虑的器件参数列表：
| 符号 | 参数 | 取值 |
| ---- | ---- | ---- |
| ΔEdoping | 化学掺杂 | 0.1 eV |
| kt | 势垒中隧穿电流的衰减常数 | 6 nm⁻¹, 17 nm⁻¹ |
| vF | 费米速度 | 1 × 10⁸ cms⁻¹ |
| L | 相干长度 | 50 nm, 100 nm, 300 nm, 1,200 nm |
| tt | 隧穿绝缘层厚度 | 0.33 nm, 0.66 nm, 0.99 nm, 1.32 nm |
| tg | 栅极绝缘层厚度 | 20 nm |
| εBN | 氮化硼的介电常数 | 3.5 |
| μ | 石墨烯中电子的迁移率 | 10,000 cm²/Vs |
| d | 石墨中典型的层间间距 | 0.33 nm |

在石墨烯中，载流子（电子或空穴）可以通过电场或化学掺杂来调控。电场掺杂通常通过改变栅极和石墨烯之间的电位来实现，例如使用Si⁺/SiO₂衬底。通过改变栅极电压Vg，可以调节载流子的浓度和类型，正的栅极电压吸引电子，负的栅极电压吸引空穴。化学掺杂有表面转移和取代掺杂两种类型，当石墨烯晶格中的一些碳原子被具有不同价电子数的其他原子取代时，会产生掺杂效应。例如，硼（Bs）和氮（Ns）取代原子分别导致p型和n型导电性。通过将外来原子整合到石墨烯晶格中，可以改变其电子结构，使其适用于高安全性硬件设备的超高频和太赫兹应用。

5. 石墨烯SymFET技术的实际应用

5.1 基于石墨烯SymFET的电路保护器

除了保护IP协议外，基于石墨烯SymFET的器件还可以稳定电路强度，以应对不同的硬件攻击，如故障注入和侧信道信号分析，且性能损失较小，电路重新设计简单。例如，加密电路经常容易受到基于电源灵活性的故障注入攻击。增加寄存器的建立时间以切换到正确状态会导致电源故障，影响高电容路径，从而成为电路中最慢的路径。

5.1.1 基于电流的电路保护器

SymFET的I - V特性表明，电流IDS仅在VDS的一个窄带内存在。为防止基于电源电压的故障注入，可利用这一特性实现基于电流的电路保护器。在电路中，只有晶体管T1直接与电源VDD相连，它是发起基于电压的故障注入攻击的源头。对于所有三个SymFET，将VBG设置为0 V，VTG设置为0.6 V。通过改变栅极电压，可以获得不同电源范围内的峰值电流。晶体管T2和M3并联，T2的源漏电压VDS2和T3的VDS3相等，因此输出电流IOUT等于输入电流IIN。IOUT是受保护电路的源电流，只有当SymFET - T3的漏源电压为特定值时，输出电流才会存在。以下是基于电流的保护器的一些示例功率水平：
| 电压供应 /VDD (V) | 输出电流/ Iout (µA) | 功率 (µA) |
| ---- | ---- | ---- |
| 0.2 | 0.02 | 0.009 |
| 0.4 | 0.07 | 0.05 |
| 0.6 | 0.18 | 0.2 |
| 0.8 | 1.2 | 1.93 |
| 1.0 | 1.9 | 3.8 |

除了IP保护，还应关注对硬件的攻击，如故障注入和侧信道信号分析。故障注入对加密电路造成了重大问题，它是由增加寄存器所需的建立时间引起的，还会影响电容路径，形成电路中最慢的路径，使黑客能够攻击硬件。为克服这一问题，引入了基于石墨烯的SymFET的独特特性用于基于电流的电路保护器，可应对侧信道攻击和故障注入。如果黑客计划降低电路的电源电压以触发加密设计的单比特错误，SymFET器件能够承受较大负载以防止故障注入。在触发单比特错误之前，电路保护器会自动关闭整个电路，它既可以作为电路保护器，也可以作为电流源。因此，石墨烯SymFET可用于防止侧信道攻击和应用于加密电路。

以下是基于电流的电路保护器的工作流程mermaid图：

graph LR
    A[电源VDD] --> B(T1晶体管)
    B --> C{SymFET - T2和T3}
    C --> D[输出电流IOUT]
    E[设置VBG = 0 V, VTG = 0.6 V] --> C
    F[改变栅极电压] --> C

6. 硅纳米线场效应晶体管（SiNW FET）

6.1 硅纳米线FET的制造

制造硅纳米线场效应晶体管通常采用两种自上而下的纳米光刻技术：氧化扫描探针光刻（oSPL）和电子束光刻（EBL）。这两种方法都在绝缘体上硅（SOI）衬底上进行，但具体的制造步骤有所不同。光刻过程有一些共同的元素，包括SOI衬底、相同的源极和漏极金属接触，以及通过反应离子蚀刻（RIE）去除顶部硅层的未掩膜区域。
制造步骤如下：
1. 对SOI衬底进行超声清洗。
2. 使用光刻技术制造金属接触。
3. 在振幅调制模式下操作原子力显微镜进行氧化SPL步骤，同时通过AFM控制相对湿度。
4. 使用光刻工艺制作带有电极的SiO₂掩膜。
5. 使用电子束光刻去除不需要的掩膜层。
6. 在源极和漏极电极之间形成桥接纳米线，SiNW的形成取决于光刻方法，oSPL方法制备的SiNW宽度相对较小。

6.2 器件结构

硅纳米线FET具有可重构的特性，适用于硬件安全的互补逻辑实现。通过调整合适的外部电压，SiNW FET可以作为p - FET或n - FET工作。该结构有两个通过肖特基结分别静电耦合的栅极，一个栅极用于实现p极性或n极性，另一个栅极用于改变纳米线的电导。通过施加外部电压源，可以控制肖特基结上的信号传输。在肖特基势垒场效应晶体管（SBFET）中，肖特基结可以分别控制器件配置，一个结用于阻挡一种类型的载流子，另一个结用于调整对另一种类型载流子的电导。选择的异质结构材料为NiSi₂/本征 - Si/NiSi₂，这些材料轴向排列并嵌入SiO₂壳中，热生长的SiO₂用作栅极电介质，硅的界面陷阱密度较低。纳米线两端的两个肖特基结是实现可重构性的关键因素，其中栅极2是用于将器件配置为p - FET或n - FET的编程栅极，栅极1是用于控制纳米线电导的控制栅极。

6.3 电气特性和工作原理

硅纳米线FET可以双向操作，交换VG1/VG2和源极/漏极之间的信号可以获得相似的值，这种对称性为电路设计带来了灵活性和适应性。
- p - FET模式 ：将栅极电压VG2设置为 - 3 V，漏源电压VD设置为 - 1 V，此时VG2施加的电位有效地阻止了电子在漏极电极处的注入。控制栅极的电位电压VG1在正负值之间变化，当VG1 < 0时，会刺激空穴在源极处注入到FET的有源区域；当VG1为正值时，会阻止空穴注入，从而关闭FET。
- n - FET模式 ：将栅极电压VG2设置为 + 3 V，漏极电压VD设置为 + 1 V，此时VG2的栅极电位阻止了空穴从漏极电极注入到FET的有源区域，使结对电子透明。当VG1 < 0时，由于高能势垒，源极侧的电子注入减少；当VG1变为正值时，源极电极处的能带降低，增强了电子注入。

在同一器件中可以实现p - FET和n - FET配置，这种可重构特性可用于互补设计，以实现任何布尔逻辑功能，并且支持在操作过程中改变特定的逻辑功能。与CMOS逻辑相比，硅纳米线FET在使用相同数量的晶体管时可以提供额外的逻辑功能。由于肖特基接触的紧凑尺寸和几何形状，栅极电压灵敏度得到增强。该器件采用轴向金属 - 半导体纳米线异质结构，这是肖特基结中用于耦合电场的最常见几何形状，肖特基结处的电场梯度较高。在硅CMOS技术中，空穴的迁移率低于电子，通常通过使用具有较大沟道宽度的p - FET来补偿；而在硅纳米线FET中，有源区域内空穴的迁移率较低，但可以通过降低空穴的肖特基势垒高度来补偿。硅纳米线FET可以动态编程，无需预编程，其电导可以提高到1 × 10⁹。在关断状态下，通过源极和漏极处的相反能带弯曲，可以有效降低源漏泄漏电流，并且无需掺杂即可实现n型和p型FET。

以下是SiNW FET不同模式下的工作状态表格：
| 模式 | VG2设置 | VD设置 | VG1 < 0时情况 | VG1 > 0时情况 |
| ---- | ---- | ---- | ---- | ---- |
| p - FET模式 | - 3 V | - 1 V | 刺激空穴注入 | 阻止空穴注入，关闭FET |
| n - FET模式 | + 3 V | + 1 V | 电子注入减少 | 增强电子注入 |

6.4 硅纳米线FET技术的实际应用

6.4.1 使用硅纳米线FET实现门电路伪装

在现有的系统中，基于CMOS的伪装门结构的安全性容易受到IP协议被盗用和特洛伊木马攻击的威胁，黑客可以轻易识别其功能并破解隐私。为了提高安全系统的性能，防止黑客破解功能，将基于硅纳米线FET的伪装布局纳入基本设计中。这种布局增加了功能的复杂性，黑客要破解单个功能需要尝试多达4N次才能获得正确的设计，这对他们来说是一个巨大的挑战。此外，基于硅纳米线FET的器件具有更多的功能、更小的面积消耗和更高的安全性，其最大的优势在于IP保护、逻辑设计加密和其他安全应用。

CMOS门电路的伪装方法很少被实施，因为这会增加功耗和面积以实现更高级别的保护。例如，使用CMOS伪装方法实现XOR、NAND和NOR门至少需要12个晶体管和大量的金属连接。而硅纳米线FET具有极性可控的特性，有助于在不使用额外FET的情况下实现门电路的伪装。使用四个硅纳米线FET可以设计一个NAND或XOR门，通过将引脚与各种信号互连，这四个硅纳米线FET除了实现NAND和XOR操作外，还可以执行另外五种功能。硅纳米线FET的极性可控特性在设计伪装布局时起着至关重要的作用，不同的门可以共享相同的结构。

以下是SiNW FET和石墨烯SymFET相对于CMOS在安全应用中的比较表格：
| | SiNW FETs | 石墨烯SymFETs |
| ---- | ---- | ---- |
| 相对于CMOS逻辑设计的优势 | - 极性可配置
- 低功耗
- 低静态功耗
- 内置负差分电阻
- 应用中所需晶体管更少 | - 低功耗
- 速度要求可控
- 动态能量利用高效 |
| 器件挑战 | - 每个晶体管面积较大
- 基于电流的设计
- 动态功率大
- 非布尔计算 | - 较大泄漏问题 |
| 器件机会 | - IP保护
- 侧信道攻击预防
- 逻辑加密
- 加密电路
- 其他安全应用 | - IP保护
- 侧信道攻击预防
- 逻辑加密
- 加密电路
- 其他安全应用 |

7. 结论

综上所述，本文讨论了基于新兴技术的IP隐私防护安全系统，包括石墨烯SymFET和硅纳米线FET，以及它们如何帮助防止IP协议被盗用和保护电路。与CMOS逻辑电路相比，所提出的保护方案具有更高的保护性能。通过比较可以看出，这些新兴器件为硬件安全领域的未来设计提供了指导。石墨烯SymFET的I - V特性表明它对温度变化具有很强的鲁棒性，其谐振电流峰值显示出它在高速模拟电路和数字电路设备中的良好潜力，并且可以通过化学掺杂和施加栅极偏压来控制电流峰值的展宽。硅纳米线FET可用于设计p型或n型FET，以控制纳米级金属 - 半导体结上的载流子传输灵敏度，且具有不依赖掺杂的独特优势。使用这些新兴技术而不是CMOS设计的器件可以实现极其高效和安全的电路，从而有效防止IP盗版。

以下是整个技术应用的mermaid流程图：

graph LR
    A[安全应用需求] --> B{选择技术}
    B --> C[石墨烯SymFET]
    B --> D[硅纳米线FET]
    C --> E[电路保护]
    C --> F[侧信道攻击预防]
    C --> G[加密电路]
    D --> H[门电路伪装]
    D --> I[逻辑加密]
    D --> J[IP保护]
    K[CMOS技术] --> L[传统应用]
    M[新兴技术优势] --> C
    M --> D
    N[挑战] --> C
    N[挑战] --> D

这些新兴技术在硬件安全领域具有巨大的潜力，未来的研究可以进一步探索它们的应用和优化，以满足不断增长的安全需求。

7.1 新兴技术的未来展望

随着科技的不断发展，硬件安全领域对更高效、更安全的器件需求日益增长。石墨烯SymFET和硅纳米线FET作为新兴技术，展现出了巨大的潜力，但也面临着一些挑战。未来的研究可以从以下几个方面展开：

7.1.1 性能优化

• 石墨烯SymFET ：进一步研究如何控制化学掺杂和栅极偏压，以更精确地控制电流峰值的展宽，提高其在高速模拟和数字电路中的性能。同时，探索降低泄漏电流的方法，减少功耗。
• 硅纳米线FET ：研究如何减小每个晶体管的面积，降低动态功率，解决非布尔计算的问题。优化肖特基接触的结构和材料，提高栅极电压灵敏度和载流子迁移率。

7.1.2 应用拓展

• 新的安全领域 ：探索这两种新兴技术在物联网、人工智能、量子计算等新兴领域的安全应用，为这些领域提供更可靠的安全保障。
• 集成应用 ：研究如何将石墨烯SymFET和硅纳米线FET与其他器件集成，形成更复杂、更高效的安全系统。

7.1.3 制造工艺改进

• 提高制造精度 ：改进制造工艺，提高器件的一致性和可靠性，降低制造成本。
• 开发新的制造方法 ：探索新的制造方法，如自组装、3D打印等，为器件的制造提供更多的可能性。

7.2 新兴技术与传统技术的融合

虽然石墨烯SymFET和硅纳米线FET具有很多优势，但在实际应用中，它们可能需要与传统的CMOS技术相结合。以下是一些可能的融合方式：

7.2.1 混合电路设计

在同一电路中同时使用新兴技术和CMOS技术，充分发挥各自的优势。例如，在对安全性要求较高的部分使用石墨烯SymFET或硅纳米线FET，而在其他部分使用CMOS技术，以实现性能和成本的平衡。

7.2.2 互补应用

利用新兴技术和CMOS技术的互补性，实现更复杂的功能。例如，CMOS技术在大规模集成和高速计算方面具有优势，而新兴技术在低功耗、高安全性方面具有优势，可以将它们结合起来，实现高性能、低功耗、高安全的系统。

7.3 总结

基于石墨烯SymFET和硅纳米线FET的IP隐私防护安全系统为硬件安全领域带来了新的解决方案。这些新兴技术具有很多优势，如低功耗、高安全性、可重构性等，但也面临着一些挑战，如泄漏电流、面积较大等。未来的研究需要进一步优化这些技术的性能，拓展其应用领域，改进制造工艺，并探索与传统技术的融合方式。通过不断的努力，这些新兴技术有望在硬件安全领域发挥重要作用，为我们的数字生活提供更可靠的保障。

以下是新兴技术未来发展方向的列表：
1. 性能优化：精确控制电流峰值展宽，降低泄漏电流，减小晶体管面积等。
2. 应用拓展：开拓新的安全领域，实现集成应用。
3. 制造工艺改进：提高制造精度，开发新的制造方法。
4. 与传统技术融合：混合电路设计，互补应用。

通过以上的分析和展望，我们可以看到石墨烯SymFET和硅纳米线FET在硬件安全领域具有广阔的发展前景。随着技术的不断进步，相信这些新兴技术将为我们带来更加安全、高效的数字世界。