一种基于光屏蔽/增强效应的光密码锁及其制备方法

本发明涉及半导体，具体涉及一种基于光屏蔽/增强效应的光密码锁及其制备方法。

背景技术：

1、随着我国经济的高速发展以及社会环境的开放，许多社会公共安全问题受到了社会公众的广泛关注。在公共安全领域，信息安全为社会快速发展提供有力支撑，因此，在信息安全方面，密码锁技术的研究开发成为加强安全保障的关键技术。常见的信息加密设备有口令密码、usb密钥、防复制软盘等，然而，这些加密手段依赖各种复杂的软件加密技术，容易遭受到黑客攻击或被他人非法窃取，无法满足日益增长的信息安全保障技术需求。

2、通过硬件层面的逻辑门运算进行加密来构建信息密码锁，与基于加密算法的传统方式不同，在硬件层面构建加密技术的策略依赖于高低阻态电子元器件的探索和开发。神经形态器件可用于突触仿生和神经形态计算，而神经形态器件集成的神经形态芯片采用并行计算，具有感存算一体的优势。因此，神经形态器件是构建信息密码锁的理想元器件。神经形态器件中，有机场效应晶体管(ofet)具有制备工艺简单、电学性能好、柔性、光电栅极调控等优势，是开发基于光屏蔽与光增强神经形态器件的光密码锁的理想器件。

3、光密码锁典型功能是实现对光信号的识别以及对信息的加密，目前的光密码锁技术主要采用传统密码学的随机数密钥硬件加密策略，仅对加密过程进行优化，而对于充当“钥匙”功能的光信号源并未做过多的探究。设计具有高阻态(“0”态)和低阻态(“1”态)的神经形态器件是制备硬件信息加密逻辑电路的基本前提，以不同光信号源作为钥匙构建硬件层面光密码锁，需要开发分别具有光屏蔽和光增强功能的神经形态器件作为“0”态和“1”态器件。目前，具有光增强和光屏蔽功能的ofet器件研究工作虽然有许多，但还未引入到信息安全领域的光密码锁研究中。

4、有鉴于此，本发明提供了一种基于光屏蔽/增强效应的光密码锁及其制备方法。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于光屏蔽/增强效应的光密码锁及其制备方法。本发明所研究的光增强神经形态器件可以实现对不同光波长的增强特性以此完成不同的信号输出，获得在特定光波长条件下开启密钥的功能，避免了传统黑客技术对器件信息的干扰。

2、为实现以上技术目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种基于光屏蔽/增强效应的光密码锁，涵盖的关键神经形态器件包括光屏蔽器件和光增强器件，其中，光屏蔽神经形态器件包括底栅、栅绝缘层、电解质层、界面修饰层、有机半导体沟道、水平栅、源极和漏极，光增强神经形态器件包括底栅、栅绝缘层、界面修饰层、有机半导体沟道、水平栅、源极和漏极。

4、进一步地，光屏蔽和光增强器件中蒸镀的源漏电极、水平栅极、有机半导体层厚度分别为50nm、50nm、30nm，膜厚用晶振片实时监测控制；栅绝缘层厚度为50nm。

5、进一步地，所述神经形态器件衬底为底栅和栅绝缘层，底栅和栅绝缘层材料分别为si和sio2。

6、进一步地，所述光屏蔽神经形态器件的电解质层材料选择聚苯乙烯磺酸。

7、进一步地，所述两种神经形态器件的界面修饰层材料为聚苯乙烯，有机半导体沟道材料为并五苯。

8、进一步地，所述水平栅极、源极和漏极材料均选用金属cu或au材料。

9、进一步地，所述光屏蔽神经形态器件的电解质层位于衬底上方；所述两种神经形态器件界面修饰层位于电解质层或衬底上方；所述有机半导体分隔为两部分，设置于界面修饰层上方；所述源极和漏极与水平栅极水平共面结构，分别设置于两部分有机半导体沟道上方；所述源极和漏极隔开，中间留有导电沟道。

10、进一步地，对于两种神经形态器件，光屏蔽效应由电解质层界面产生的界面极化子猝灭光生激子实现，不同光响应主要归因于界面修饰层和有机半导体沟道。

11、进一步地，电解质层和界面修饰层采用溶液法旋涂成膜，有机半导体层、源漏电极和水平栅极采用真空蒸镀方法镀膜。

12、进一步地，包含的两种关键神经形态器件的制备方法，包含如下步骤：

13、(1)切割准备若干衬底，超声清洗并烘干，紫外臭氧处理；

14、(2)采用溶液法旋涂、热退火制备电解质层和界面修饰层；

15、(3)采用热真空蒸镀方法依次制备有机半导体沟道、电极。

16、进一步地，步骤(1)所述衬底的尺寸为1.5cm×1.5cm。

17、进一步地，步骤(2)所述旋涂的电解质溶液为pss水溶液(1：50)，旋涂转速为9000转/分钟，旋涂时间为90s，热退火温度为130℃，退火时间为20分钟。

18、进一步地，步骤(2)所述旋涂的界面修饰材料为ps/甲苯溶液，浓度为4.5mg/ml，旋涂转速为3000转/分钟，旋涂时间为30s，热退火温度为130℃，退火时间为20分钟。

19、进一步地，步骤(3)所述蒸镀的有机半导体沟道材料为并五苯，蒸镀速率为蒸镀膜厚为30nm，膜厚由晶振片实时监测，真空指标优于5×10-4pa。

20、进一步地，步骤(3)所述蒸镀的电极材料为cu或au，蒸镀速率为蒸镀膜厚为50nm，膜厚由晶振片实时监测，真空指标优于5×10-4pa。

21、本发明基于双电层效应产生的界面极化子-激子淬灭机理以及电荷捕获主导下的负微分光电导效应的科学原理，着重研究具有光增强及光屏蔽功能的神经形态器件，包括器件设计制备、性能表征、机理研究、相关电路设计等。本发明开发了具备光屏蔽与光增强功能的神经形态器件，并集成逻辑电路构建信息光密码锁；电场作用下，光屏蔽神经形态器件电解质界面处形成双电层，产生的界面极化子与光生激子发生淬灭，实现光屏蔽功能；电荷捕获主导下，光增强神经形态器件具有负微分光电导效应。构建基于两种光电效应神经形态器件的神经形态电路，利用外围电路等制备出光密码锁设备，实现设备在不同光波长下的信号响应、识别，最终实现特定光波长的“开锁”功能。

22、本发明器件是一种有机场效应晶体管，以有机半导体层作为导电沟道，界面修饰层和有机半导体层具有不同波长光响应，用于产生光电导效应；电解质层用于产生双电层效应，形成界面偶极子与光生激子发生猝灭。

23、基于界面修饰层与有机半导体传输层的异质结构，在光照条件下，利用负微分光电导效应，实现不同光响应以此完成不同的信号输出，获得在特定光波长条件下开启密钥的功能。基于界面极化子-激子淬灭效应能够有效屏蔽光信号的科学原理，通过电解质层、界面修饰层以及传输层等多重功能层的异质堆结效应，促使电解质层中的阴阳离子在电场作用下发生定向移动形成双电层效应，产生界面极化子与光生激子淬灭，实现光屏蔽功能。

24、设计基于光增强和光屏蔽神经形态器件的神经形态加密电路，采用信号发生器、示波器、电子元件和上述神经形态器件搭建电路，可实现光识别与信息加密。通过输入rgb光脉冲信号及加密信息，不同的光信号会影响光密码锁电路输出信号，实现器件层面的稳定光密码锁功能。

25、接下来对本发明光屏蔽和光增强神经形态器件制备方法进行详述。

26、本发明具有如下优点：

27、1.本发明研究方法提供的器件结构简单，成本低，具有良好的稳定性。

28、2.本发明研究的光增强神经形态器件可以实现对不同光波长的响应特性以此完成不同的信号输出，获得在特定光波长条件下开启密钥的功能，避免了传统黑客技术对器件信息的干扰。

29、3.本发明基于逻辑门运算电路实现光密码锁功能，具有新颖性、及时性、有效性。光增强器件基于光电导效应可以实现特定光波长解锁功能，光屏蔽器件基于界面极化子-激子淬灭效应可以实现稳定的“0”态输出信号调控。

30、本发明所带来的社会效益：

31、1.特种设备安全尤其是信息安全为社会快速发展提供有力支撑，本发明研究的光增强/屏蔽神经形态器件，具有制备成新型光信息加密装备的前景，该新型信息加密装置具有防止黑客通过电脑病毒窃取信息的功能，能够进一步加强公共信息安全，从而满足人们对信息安全的进一步需求以及快速推动社会的进一步发展。

32、2.本发明所提出的实现对特定波长响应的神经形态器件研究的课题，在信息安全领域，将有利于实现信息“钥匙”的进一步加密，以期为人工智能、信息安全领域提供关键核心技术。

33、本发明技术应用和产业化前景：

34、本发明研究的光信息加密装备属于信息安全领域，可满足人工智能领域对信息安全更高的要求。