本研究由Qian Li、Feiliang Chen与Yao Yao等人共同完成，其中Qian Li与Feiliang Chen为共同第一作者。研究团队来自中国工程物理研究院微系统与太赫兹研究中心、电子科技大学电子科学与工程学院等单位。该论文发表于ACS Applied Materials & Interfaces期刊，题为“Bright-Field-Hidden Disordered Atomic Textures for Physically Unclonable Functions”。
物理不可克隆函数（Physically Unclonable Functions，PUFs）作为一种利用制造过程中固有的微观随机物理特征来生成不可克隆物理指纹的硬件安全技术，近年来受到广泛关注。传统数学密码学的安全性依赖于某些数学问题的计算不可行性，但量子计算技术的快速发展对这一安全性构成了严重威胁。硬件安全技术作为弥补数学密码学不足的有效途径，其中常见的射频识别、指纹识别、人脸识别等方案均基于宏观物理特征的唯一性，这些宏观特征相对容易被复制和破解。例如，利用3D打印技术复制的指纹和面部特征已经能够轻易欺骗门禁系统。PUFs具有三个革命性特征：极难复制——即便是制造商本人也难以创造两个完全相同的PUF副本；高度抗逆向工程——无法通过PUF的输出响应获取挑战信息；零存储风险——PUF通过物理过程动态生成私钥，消除了数字私钥的存储风险。
然而，现有光学PUFs通常依赖百纳米或微米尺度的无序结构特征，面临来自快速发展的3D纳米打印技术日益增长的威胁。此外，大多数现有显微成像型PUFs存在与半导体工艺兼容性差、特征在明场模式下容易被获取而缺乏隐蔽性等问题。针对这些问题，本研究提出并实现了一种基于原子尺度表面不规则性的先进光学PUF方案。
本研究的核心目标是利用半导体薄膜外延生长过程中形成的原子级厚度不规则纹理作为不可克隆的纳米指纹。由于这些原子级纹理的厚度极低，在明场显微镜下具有光学隐身特性，任何克隆尝试都需要在垂直方向上具备亚纳米级精度。AlGaN薄膜外延生长过程中，因衬底晶体取向偏移角会形成原子台阶。在合适的生长条件下，薄膜以台阶流模式演化；当吸附原子的表面扩散能力降低时，它们无法在有限时间内到达台阶边缘，转而在平台上成核形成岛状结构。这种生长模式通常产生蜿蜒不规则的台阶边缘和随机分布的岛状位置，本质上蕴含大量随机熵。
然而，大多数半导体应用追求高质量、低粗糙度薄膜，旨在实现单原子层台阶并抑制台阶蜿蜒，这不可避免地减少了熵源。此外，台阶宽度通常在数十纳米量级，低于衍射极限，难以通过低成本光学显微镜直接读取。为解决这一困境，本研究系统地调控了MOCVD生长AlGaN薄膜过程中的温度、气体流量等外延生长参数，有意诱导适度的台阶聚集现象。这种受控聚集增强了台阶取向的随机性、空间分布的不均匀性和蜿蜒程度，同时将台阶高度提升至数个原子层，并将台阶宽度扩展至微米尺度，从而使表面纹理适用于高熵光学PUF应用。由于原子级纹理厚度极薄且与衬底对比度低，直接通过光学显微镜在AlGaN纳米薄膜外延片上观察图案十分困难。为此，研究团队提出在AlGaN外延薄膜上覆盖一层数十纳米厚的金属层，将原子纹理和纳米岛转移到金属薄膜上，利用金属膜纳米台阶边缘的表面等离子体散射效应，使图案在暗场光学显微镜下可见。
研究首先进行了样品制备。在2英寸图形化蓝宝石衬底上通过金属有机化学气相沉积（MOCVD）外延生长了具有边缘不规则原子纹理和随机分布纳米岛的半导体薄膜，该结构包括10 nm的AlN缓冲层和200 nm的非故意掺杂AlGaN层。随后通过电子束蒸发在AlGaN层上沉积了Ti(5 nm)/Au(25 nm)薄膜。
在结构表征方面，研究团队利用扫描电子显微镜（SEM）和原子力显微镜（AFM）对样品表面形貌进行了观察分析。通过SEM和AFM图像，观察到PUF样品表面呈现两种特征形态结构：原子尺度厚度的不规则纹理和无序六方AlGaN纳米岛。这种形成机制对应于Stranski-Krastanow生长模式。外延生长初期依赖于衬底与外延材料之间的晶格匹配，形成原子级薄润湿层进行二维层状生长，该过程在原子纹理边缘形成锯齿状随机蜿蜒结构。同时，沉积原子优先吸附在最低能量的台阶位置，随着应变逐渐累积，形成六方岛状结构以释放应力，最终产生具有随机蜿蜒边缘的自发形成台阶和随机分布的纳米岛。统计分析表明，平均台阶厚度为5 nm，最小厚度达到亚纳米水平，平均台阶宽度约5 μm。岛状特征的统计直径范围为100 nm至1 μm，高度约20-100 nm，密度约0.035/μm²。
在光学表征方面，研究团队发现AlGaN在蓝宝石衬底上的无序纹理图案即便使用光学显微镜也难以观察，这是由于蓝宝石衬底与AlGaN薄膜之间光学折射率差异不足导致成像对比度不足。通过电子束蒸发沉积30 nm高质量Ti/Au金属层后，利用纳米结构金属台阶边缘的等离子体散射效应，可在光学显微镜下相对容易地获取PUF图像特征。AFM测量表明，同一台阶边缘上无Ti/Au覆盖点（P1）与有Ti/Au覆盖点（P2）的台阶高度分别为4.6 nm和4.9 nm，差异仅为7%，证明纳米级金属膜能够完整复制AlGaN原子台阶和随机纳米岛的形态。
在图像采集与数据处理方面，使用奥林巴斯MX51光学显微镜配合卤素灯和CCD（2448×1920像素）采集暗场显微图像。使用MATLAB和Gabor变换算法对显微图像进行二值化处理，比较各图像的二值化矩阵以获得汉明距离（Hamming Distance）。相似度通过图像特征提取方法和特征匹配技术（SURF算法）进行计算。在随机性检验方面，将100张同一PUF不同位置的暗场显微图像通过Gabor变换转换为二进制位，经过随机二进制哈希处理获得320 Mbit长度的随机数数据，使用NIST随机数评估测试套件检验生成密钥的随机性。
在形态与组成方面，暗场光学显微图像显示AlGaN原子纹理PUF覆盖TiAu纳米薄膜后呈现出不规则弯曲纹理和随机分布斑点组成的图案。SEM和AFM进一步确认了表面存在原子尺度厚度的不规则纹理和无序六方AlGaN纳米岛两种特征形态。
在光学表征方面，明场模式下无论是否存在纳米金属膜，均不可见由无序纹理和纳米岛形成的条纹或斑点图案；而在暗场模式下，覆盖有纳米金属膜的一侧清晰可见无序纹理和斑点组成的独特图案，未覆盖金属的一侧则看不到无序图案。同一位置在明场下除四个黑点外不可见纹理或斑点，而在暗场模式下四个黑点变为非常大的亮点，无序纹理和斑点形成的图案清晰可见。这一结果表明，通过覆盖纳米金属膜，纳米级台阶和岛屿在光学暗场显微镜下变得可见，为快速便捷的密钥读取和识别提供了有效途径。
在安全特性统计方面，研究团队采集了100张不同PUF样本的显微图像，对位随机性、相似度和汉明距离进行了统计分析。结果显示，“1”在100张图像提取的二进制位中出现的概率约为理想值0.5，表明这是逐位最大熵编码。类内相似度大于90%，而类间相似度小于2%，表明不同PUF样本可以被清晰区分。类间汉明距离（Inter-Hamming Distance）的统计分布范围在0.48至0.51之间，方差仅1.78×10⁻⁵，编码容量达到2¹⁴⁰⁴⁵。类内汉明距离（Intra-Hamming Distance）平均值为0.035，类间平均值为0.496，分别接近理论理想值0和0.5。通过拟合分布计算，在阈值约0.4处，误拒率（FRR）为2.17×10⁻¹⁰⁰，误接受率（FAR）为9.96×10⁻¹⁰²，表明该PUF具有极佳的认证性能。
在鲁棒性测试方面，光照强度在最大强度的30%至100%范围内变化时，相似度保持在90%以上；但在20%最大强度的低光照条件下，相似度降至45%。散焦位置在−4至+4范围内，相似度保持在60%以上。水下超声处理60分钟内，相似度始终保持在80%以上。乙醇浸泡测试中相似度在85%左右波动，无明显下降。热稳定性测试中，相似度在300 °C以下保持在80%以上，350 °C时降至70%，400 °C时进一步降至60%。NIST随机数测试结果表明，从该PUF获得的位序列通过了NIST套件的所有测试。
本研究提出并验证了一种基于半导体薄膜原子尺度表面不规则性的先进光学PUF。通过利用外延生长过程中形成的无序纹理和纳米岛等固有随机特征，该方法将物理克隆的安全壁垒提升至垂直方向的亚纳米级精度。通过施加金属纳米薄膜转移原子级图案并利用纳米台阶边缘的表面等离子体散射增强对比度，使独特指纹在暗场显微镜下清晰可捕获，同时在明场条件下保持隐蔽。
该PUF设计的主要优势包括：高编码容量、抗克隆鲁棒性、与半导体工艺的无缝集成以及固有隐蔽性。此外，研究提出了多级密钥方案：第一级密钥由AlGaN外延片上设计的金属QR码（快速响应码）组成，可通过手机直接成像识别；第二级密钥由AlGaN纳米薄膜外延生长过程中产生的不规则纹理和随机分布纳米岛的复合图案形成，需要暗场光学显微镜读取；第三级密钥采用原子力显微镜进行PUF表面形貌读取识别，具有原子级分辨率和最高的密钥生成密度。
在NIST随机数测试中，所提出的PUF生成的位序列通过了全部15项统计测试，可作为足够鲁棒的随机数发生器，适用于通信加密和图像加密。该技术在设备认证、溯源、信息加密和访问控制等高安全领域展现出巨大的应用潜力。
本研究的核心亮点在于将安全壁垒提升至亚纳米级的原子尺度，从根本上提高了物理克隆的难度门槛。其创新性体现在三个方面：首先，巧妙利用半导体外延生长中固有的Stranski-Krastanow模式产生不可复制的随机原子级形貌；其次，通过金属纳米薄膜的表面等离子体散射效应，实现了原子级图案在暗场下的可见性与明场下的隐蔽性，提供了“隐形”安全特性；第三，设计了三级递进式密钥体系，兼顾了不同应用场景下安全需求、成本与便利性之间的平衡。这种将半导体制造工艺与光学PUF技术深度融合的方案，为下一代硬件安全提供了具有实用化前景的技术路径。