量子物理不可克隆函数的制作方法

本发明通常涉及器件的唯一标识符的确定或生成，该器件呈现量子力学约束。

背景技术：

从无线传感器到移动SIM（客户身份模块）和车内ECU（发动机控制单元）范围的许多系统都将它们通信之类的安全基于通常本地存储的密钥上。为使安全性更为健壮，这种密钥具有高度的唯一性（本领域使用的术语）自然是很重要的。不仅如此，潜在的密码攻击者难以克隆该密钥也是很重要的。从更实际的角度讲，提供密钥的器件具有尽可能最小的物理和功耗占用，同时具有低制造成本，也是有必要的。密钥有选择地或附加地定义或描述为唯一识别符。

留有制造商之类的产品的唯一识别符可以通过标记或指纹识别那些产品，尤其是通过包括可以方便和重复读取的唯一的、难以克隆的（物理的）函数，进行管理。物理地（有时也称为物理的）不可克隆函数（PUF）可以提供这样的识别。

通常，物理不可克隆函数是基于一般会被认为宏观物理原理的函数所提供的。例如，物理不可克隆函数可能基于不同晶体之间的石英晶体振荡频率中的微小变化，或者不同器件之间由于构成那些不同器件的层的不同厚度导致的不同电容，或者在存储单元的阵列中的异常识别（例如，死单元）。毫无疑问，这些途径在实际中起作用。然而，它们仍有缺点。已经意识到这些缺点的主要原因是在唯一识别符的生成过程中宏观效应的使用。例如，这可能限制识别符的唯一性。并且，使用宏观效应，在唯一识别符的确定和生成过程中的重复性和一致性有时可能被妥协，或者在提供该识别符的器件中需要显著的空间或功耗。

技术实现要素：

本发明的示例实施例的示例目标是至少部分地消除或减轻无论是在这里还是其他地方确定的现有技术的至少一个缺点，或者至少向现有技术提供替代的选择。

根据本发明，提供了如所附的权利要求中提出的装置和方法。从从属权利要求和以下的描述可以明显看出本发明的其他特征。

根据本发明的第一方面，提供了为器件确定或生成唯一识别符的方法，该器件呈现量子力学约束，所述方法包括：（例如，电地）测量由所述量子力学约束造成的所述器件的唯一量子力学效应；以及，使用所述测量值确定或生成所述唯一识别符。

所述测量值可能包括测量所述器件的唯一量子力学谱。

使用所述测量值生成所述唯一识别符可能包括将所述测量值编码和/或存储为所述唯一识别符。

所述方法可能包括加热呈现量子力学约束的所述器件以改变所述器件的所述唯一量子力学效应，并且因此有助于提供用于所述器件的新的唯一识别符。

可能使用专用的加热器，和/或通过向所述器件通入电流进行所述加热。

所述方法的至少一部分可能由其他器件进行，该其他器件包括呈现量子力学约束的所述器件，和/或与呈现量子力学约束的所述器件处于（例如，电的和/或光的）连接。

至少在使用中，利用呈现量子力学约束的所述器件的所述唯一识别符，可安排通过所述其他器件来测量所述效应，以便为所述其他器件确定或生成唯一识别符。

所述其他器件可能编码和/或存储所述唯一识别符。

所述方法可能包括将呈现量子力学约束的所述器件确定或生成的所述唯一识别符与由所述其他器件存储和/或存储在所述其他器件中的一个或多个识别符进行比较。所述方法还可能包括若呈现量子力学约束的所述器件确定或生成的所述唯一识别符和一个或多个存储的识别符是相同的（即，相匹配），则阻止或允许所述其他器件的某些功能。

呈现量子力学约束的所述器件可能在至少一个维度、在至少两个维度，或者在至少三个维度中呈现量子约束。

呈现量子力学约束的所述器件可能包括、是和/或提供以下中的一个或多个：一个或多个隧穿势垒；共振隧穿二极管；肖特基势垒；石墨烯纳米带；在层中的量子力学约束；在环中的量子力学约束；在点中的量子力学约束。

呈现量子力学约束的所述器件可能包括：在掺杂的GaAs结构中的GaSb量子（力学）环；或者在掺杂的GaAs结构中带有AlGaAs隧穿势垒的GaSb量子（力学）环。

根据本发明的第二方面，提供了器件的用途，该器件呈现量子力学约束，所述用途包括：使用所述器件来确定和生成从由所述量子力学约束造成的所述器件的可测量的，例如，电的，唯一量子力学效应（也就是，例如，电可测量的唯一量子力学效应）派生出或可派生出的唯一识别符。

根据本发明的第三方面，提供了一种装置，包括：第一器件，所述第一器件包括第二器件和/或与该第二器件处于（例如，电的和/或光的）连接；其中，所述第二器件是呈现量子力学约束的器件，并且，所述第二器件具有由所述量子力学约束造成的可测量的，例如，电的，唯一量子力学效应（也就是，电可测量的唯一量子力学效应）；至少在使用中，所述效应布置为由所述第一器件可（例如，电地）测量以为所述第二器件和所述第一器件确定或生成唯一识别符。

所述第一器件可能是集成电路，并且：所述第二器件可能形成所述集成电路的一部分；和/或所述第二器件可能将所述集成电路的一个引脚连接至所述集成电路的另一个引脚。

为免存疑，与本发明的任意一个方面有关而描述的一个或多个特征可能结合或替代本发明的另一方面的任意一个或多个特征，除非技术人员通过阅读本发明理解这样的替代或结合是相互排斥的。例如，更具体地，与本发明的方法方面有关而描述的任意特征可能易于替代或结合与本发明的用途或器件方面有关而描述的任意特征。

附图说明

以下通过举例的方式参照附图的描述将更好地理解本发明和本发明的实施例是如何实行的：

图1示意地描绘了根据示例实施例的共振隧穿二极管的带结构和模式操作；

图2示意地描绘了图1的器件的理想的量子力学谱；

图3描绘了从两个不同的理想器件获得的量子力学谱；

图4示意地描绘了根据一个实施例的呈现量子力学约束的器件的透视线框视图；

图5和6示意地描绘了图4所示的更一般的概念的不同实现方式；

图7和8分别示意地描绘了根据另一实施例的其他器件的透视图和平面图；

图9示意地描绘了根据示例实施例的又一器件的平面图；

图10示意地描绘了根据另一示例实施例的包括呈现量子力学约束的器件的集成电路。

具体实施方式

如上所述，用于确定或生成唯一识别码的方法存在的许多问题在于，这些方法基于宏观物理效应。根据本发明的示例实施例，已经意识到可能通过为器件确定和/或生成唯一识别符克服现有技术的至少一些问题，其中，该器件具体是呈现量子力学约束的器件。方法包括测量由该量子力学约束造成的该器件的唯一量子力学效应。此外，测量值接着用于为器件确定或生成唯一识别符。

该方法的量子力学性质通常允许在该方法中使用的器件是小型的，并且低功耗的。器件制造也可能通常是比在类似的宏观方法中使用的器件便宜的。然而，兴许最为重要是在该方法中使用的器件的量子力学性质允许识别符是尤为独特的。当测量的量子力学效应是一个或多个谱（例如，一个以上谱的组合或卷积，或者一个以上不同谱的测量值）时，这是尤其如此。例如，尤其在两个或两个以上维度中呈现量子力学约束的器件可能提供在呈现约束的该器件（或者该器件的一部分）的结构中的电子或空穴的特定约束能量等级的唯一的可测量的谱。通常这部分结构可能是在层、环、点或其他结构形式中的纳米结构，该纳米结构具有处于或低于与系统中的电子的德布罗意波长相对应的长度尺度的空间维度。根据该系统的薛定谔方程式解，这样的纳米结构的物理性质，包括其原子排列、尺寸和成分，以及通过该结构的场（例如，应变场、磁场和电场）的具体形式可能全都影响电荷载流子受限制所处的能量。将可以理解的是，实际上不可能制造共享所有这些特性的两个器件（以及可能更多的），因此没有两个器件是完全相同的。因此，约束的性质将不一样，从而没有两个可测量的量子力学效应的效果为相同的约束造成的结果。因此，这样的器件的可测量的量子力学效果可以用作该器件的唯一识别符。换句话说，已经意识到，限制的结构（或者，一般而言，约束）提供高效和有效的物理地（有时也称为物理的）不可克隆函数（PUF）。

现在将参照图1到10以举例的方式描述本发明的基本原理和示例实施方式。附图没有绘制为特定的比例，仅为理解本发明的基本原理和/或它的应用提供图解帮助。

图1示意地描绘了根据示例实施例的共振隧穿二极管的带结构，该共振隧穿二极管呈现量子力学约束并且可以提供唯一识别符。

该共振隧穿二极管包括掺杂材料2，在该掺杂材料2中设有形成隧穿势垒4的绝缘材料4。该隧穿势垒4位于呈现或促进电子8的量子力学约束的纳米结构6的两侧。在使用中，电子4从纳米结构6的一侧上的电压可调导带10隧道穿越势垒4到纳米结构6的另一侧上的导带12。穿过器件的电荷传输发生在特定的输入条件，因此，生成该器件的共振性质。

如前所述，纳米结构6可以是特定的、专门的结构，如环、点等等。然而，附加地和/或有选择地，该纳米结构可能简单地推测该器件的特定部分是或具有一个或多个导致量子力学约束的维度，例如，在特定能级14。也就是说，纳米结构6可能是具有纳米尺度厚度的层。

在一个特定例子中，图1的器件（或者，在其他实施例中任何其他合适的器件）的纳米结构6可以是具有嵌入在带有金属栅的掺杂GaSb结构中的AlGaAs隧穿势垒的GaSb空穴约束量子（力学的）环。在GaAs中个GaSb量子（力学的）环最近已经被证明具有对空穴非常深的约束势，这导致在器件的传输谱中有大量界限清楚的峰值。

图2展示了参考前一段落的理想的传输谱的例子。画出了随电压增加的电流相对于电压的微分。可以看出，界限清楚的一系列峰值形成谱20。直接测量到dI/dV中的峰值的电压与图1的器件的纳米结构中约束的能级相关。这些能级转而与纳米结构的原子组成中的唯一性质直接相关。因此，唯一的该结构提供唯一的谱，该唯一的谱转而可以用作器件的唯一识别符。例如，用于特定器件的谱可以被编码（即，数字化或以其他方式记录）并且被译成唯一识别的密钥，该密钥可以应用于密码等。

在图2所示的例子中，电荷传输已经被用在测量中以生成或确定器件的或用于器件的唯一识别符。然而，可以测量量子力学约束的能级的其他方法包括电容-电压测量，以及光学测量。例如，在光学测量的情况下，发射强度为光子能的函数。对于电荷传输测量方法，或以相同方式依赖电荷传输的方法，载流子可以是电子或空穴。

将空穴作为电荷载流子使用可能是有利的。在大多数III-V半导体中，最低能量价带被认为是“重空穴”带，因为在该带中的空穴的有效质量是很大的。对于量子力学约束，束缚态的位置与质量成反比例，因此对于给定的势阱，大的质量导致更多的束缚态。在GaAs中的GaSb环/点的情况下，这些重空穴的势阱是非常深的，并且质量是非常大的，这意味着存在许多约束能级。这导致非常复杂和特性丰富的谱——即，非常独特的谱。在采用石墨烯等的其他系统中，使用空穴而非电子可能没有优势，或者电子是优选的。

图3展示了为两个不同的、理想器件（第一器件30和第二器件32）选择地测量的谱。在这些例子中所示的谱30、32针对的是随输入能量E的变化而变化的任意信号电平S（其表示光输出）。每个器件30、32具有按照一个或多个量子力学点的形式的至少一个纳米结构。图2所示的谱30、32是来自各自器件的每个量子力学点的谱的卷积的结果。不同谱的卷积使得生成的识别符比单个谱更独特（例如，更难复制，或者相当于更高的加密程度）。

图4示意地描绘了可能依照示例实施例使用的器件结构40的线框的透视图。在这个特定的例子中，器件结构40包括位于呈现三维量子力学约束的纳米结构44的两侧的隧穿势垒42。需要注意到，结构40的其他部分没有呈现这样的三维量子约束。在其他例子中，纳米结构44可以呈现仅在两维或在一维中的量子力学约束。然而，更大维度的量子力学约束可能使得生成的一个或多个谱更加独特（例如，更难复制，或者相当于更高的加密程度），增大可能生成的识别符的唯一性。在这个例子中，纳米结构44可能采用例如量子力学点之类的形式。

图4的示意图的更详细的和实际的实施方式可能采用各种形式，例如，如图5和6的不同例子所示。

在图5中，器件展示了包括正和负（通常为金属）接触50、52。更详细的器件结构包括位于掺杂材料56中的纳米结构54。位于纳米结构54的两侧，并且也在掺杂材料56中的为绝缘材料58的形式的穿隧势垒。

图6再次展示了不同的例子，其包括正和负金属接触60、62。在这个例子中，纳米结构64位于形成穿隧势垒的绝缘材料66内。位于绝缘材料66的两侧的是掺杂材料68。

图7和8分别展示了其他器件的透视图和平面图。在这个器件中，可能可选择地采用量子力学环的形式的纳米结构70，如前面所述的GaSb量子力学环，位于或靠近半绝缘和掺杂半导体72的表面。金属栅74形成肖特基势垒。约束的性质和产生的谱可能在原则上与已经在图2和3中所示的谱相同。

图9示意地描绘了其他器件。在这个器件中，纳米结构采用绝缘衬底82上的石墨烯（纳米）带80的形式。该带80连接金属接触84。在这个例子中，由带80的边缘的具体形状，和/或通过该带是多平坦的，和/或通过已经发生键合至该带的任意掺杂原子的存在，定义了量子力学约束。并且，对于构成的每个器件，特质的这种组合极有可能是唯一的，这意味着构成的每个器件将具有与其相关的，例如，如由上面已经讨论的那类谱识别的或从上面已经讨论的那类谱提取的、唯一的识别符（例如，指纹）。

图10展示了用于唯一识别符的使用的应用。图10展示了以集成电路10的形式的第一器件。集成电路90包括例如，用于连接至电路的其他部分的引脚92。图10还展示了两个特定引脚94、96的放大视图。连接那些引脚94、96的是器件98或呈现量子力学约束的结构，例如，如前面所述。引脚94、96可能形成器件98的一部分，或者与器件98分开，这取决于具体的实现细节。

在使用中，第一器件90可能用于通过呈现量子力学约束的器件98的特征生成用于其自身的唯一识别符。有选择地和/或附加地，第一器件90可能设置有或存储一个或多个识别符，并且可以将这些存储的一个或多个识别符（即，检查该识别符）与呈现量子力学约束的器件98的确定的唯一识别符进行比较。通过这种方式，呈现量子力学约束的器件98的独特性质可以用在多个方式中，为包括第二器件98的第一器件90提供唯一识别符，和/或提供交叉检查等。根据交叉检查成功或失败，允许或阻止第一器件的某些功能。

图10中所示的器件当然只是一个例子，仅突出了有用的应用。例如，在另一例子中，第一器件和第二器件可能形成其他装置（例如，移动手机或者用于安全和/或密码技术的唯一识别符的使用是很重要的其他设备）的一部分。此外，图10展示了呈现量子力学约束的器件或结构位于集成电路的连接引脚或桥接引脚之间。在另一例子中，该器件可以仅更一般地描述为可能具有另一功能的另一电路的一部分。

如上所述，当量子约束在一个以上维度中时，和/或当与单层的更简单的状态之类相比更复杂的纳米机构，例如多个量子力学点，或量子力学环，产生约束时，由量子力学约束造成的量子力学效应将是“更独特的”（例如，更难以复制，或者相当于更高的加密程度）。然而，约束的唯一性和产生的量子力学谱或其他可测量的效应可能至少部分地受进行测量的方式和/或记录结果的方式妥协。例如，如果测量的分辨率或细节是不够的，那么这可能意味着难以区分两个不同的器件。也就是说，在生成的 “唯一的”识别符（例如，指纹）方面，取决于测量是如何进行/记录的，对于不同的、独特的器件，识别符很可能是一样的。因此，测量进行和记录的方式还可能在唯一识别符的生成过程中起到重要的作用。例如，可能取决于需要的安全的登记，将测量值编码为更大或更小的准确度。例如，在粗糙的例子中，可能使用8位或更低位编码低安全级别的识别符，而可能使用128位等编码安全级别高得多的识别符。

编码可能单独地或组合地基于多个特征中的任意一个，并且可以基于识别的特定阈值、峰值或谷底，以及点或峰值形状、梯度或趋势等。

很明显，在安全和密码技术等中，唯一识别符的生成（例如，建立）或确定（例如，检查）是很重要的。这种唯一识别符保持不变也是很重要的，因此保证了安全性。然而，不时改变唯一识别符可能是很有用的，例如，当安装需求存在变化的时候。当依赖宏观物理效应来生成唯一识别符时，轻易地改变宏观物理特征的独特性质是非常难的，甚至是不可能的。然而，当使用量子力学效应时，情况不是这样的。例如，简单地加热（例如，热处理）器件呈现量子力学约束的部分到达或超过特定温度可能足以将次原子结构改变至足以改变该器件的该部分的独特约束性质的程度，并且还产生可测量的量子力学效应（例如，谱）。例如，GaSb可能需要大约400°C的温度，当该结构是纳米尺度时，该温度是可容易实现的。然而，需要注意的是导致唯一识别符/指纹的独特的条件组在一定程度上是非易失的和半永久的，该程度为条件和识别符/指纹是稳定的，但是可改变的程度。

可能通过使用专门的加热器（例如，在器件上传递的或者穿过器件的电线或跟踪器），和/或通过向器件或其呈现量子力学约束的部分通入电流，实现加热。

在实际的例子中，存储或设置有识别符的第一器件可能交叉检查使用呈现量子力学约束的器件生成或确定的这种识别符，该第一器件与量子力学器件连接（例如，通信的和/或可测量的连接）。当这种交叉检查成功时，该第一器件可能生效或完全生效。如前所述，通过加热呈现量子力学约束，可以故意造成这种交叉检查失败。这可能防止第一器件所有运行或完全运行。当例如，器件被妥协或被盗时，这可能是很有用的。信号等可以被传送至第一或量子力学器件以触发该器件或其呈现量子力学约束的部分的加热，以改变可能使用该器件生成或确定的唯一识别符。然后，这将防止包括量子力学器件或与该量子力学器件连接的第一器件正常运行，或所有运行。

可测量的电量子力学效应的使用，或者独特量子力学效应的电测量（其可能从不同角度被定义为相同功能）可能相比例如，光学性质和/或测量时有利的。基于电的方法的使用允许例如，在芯片上，或在电子电路或器件内的或作为电子电路或器件的一部分的，例如，唯一识别码的快速和有效确定。相较而言，光学技术可能需要更复杂的设备，或更多部件，这可能增加成本、复杂度、重量等。

虽然已经展示和描述了一些优选实施例，但是本领域技术人员可以理解的是，在不脱离本发明的范围的前提下可以做出各种改变和修改，如所附权利要求所定义的。

关于本申请的、开放向公众查阅的、与本说明书同时提交或先于本说明书提交的所有文件和文档均受到关注，并且所有这些文件和文档的内容都通过引用包括在本文中。

在本说明书（包括任意附属的权利要求书、摘要和附图）中公开的所有特征，和/或公开的任意方法或处理的所有步骤可能任意组合，除非这些特征和/或步骤的至少部分相互排斥。

除非另有明确说明，在本说明书（包括任意附属的权利要求书、摘要和附图）中公开的每个特征均可以被具有相同、相等或类似用途的可选择的特征代替。因此，除非另有明确说明，公开的每个特征均仅为通用的一系列同等或类似特征的一个例子。

本发明不限于前述实施例的细节。本发明延伸至在本说明书（包括任意附属的权利要求书、摘要和附图）中公开的特征的任意新颖的一个或任意新颖的组合，或者延伸至公开的任意方法或处理的步骤的任意新颖的一个或任意新颖的组合。