一种硅基光学PUF、其制备方法和用途.pdf

(19)国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN116002689A(43)申请公布日2023.04.25(21)申请号202211619742.3(22)申请日2022.12.15(71)申请人浙江大学地址310058浙江省杭州市西湖区余杭塘路866号(72)发明人皮孝东王坤何强杨德仁(74)专利代理机构杭州坚果知识产权代理事务所(普通合伙)33366专利代理师刘晓(51)Int.Cl.C01B33/02(2006.01)C01B33/021(2006.01)G02B1/00(2006.01)H04L9/32(2006.01)权利要求书3页说明书20页附图13页(54)发明名称一种硅基光学PUF、其制备方法和用途(57)摘要本发明公开了一种硅基光学PUF、其制备方法和用途。本发明的光学PUF包含衬底1和与衬底1贴合的纳米材料层2。所述衬底1凹凸不平的结构的边长平均值和深度平均值分别小于纳米材料层2的中心发光波长，且所述衬底1的电阻率≤0.005Ω.cm。所述纳米材料层2的材料为掺铒的硅纳米材料，在所述纳米材料层2上任意一点均能产生7种不同的光学响应信号，且7种不同的光学响应信号产生均产生于掺铒硅纳米材料。所述掺铒硅纳米材料包含硅元素和铒元素，其中，硅元素以纳米硅的形式存在，所述铒元素全部以Er3+形态存在于所述硅纳米材料的晶格内且具有光学活性。本发明仅通过一种元素掺杂、无需对光学信号做数值处理实现编码容量为710000的硅基光学PUF。CN116002689ACN116002689A权利要求书1/3页1.一种硅基光学PUF，其特征在于，所述硅基光学PUF包含衬底(1)和位于衬底(1)上的纳米材料层(2)，其中：所述衬底1用于提供凹凸不平的结构，且所述凹凸不平的结构的边长平均值和深度平均值均分别小于纳米材料层(2)的中心发光波长；优选的，所述衬底(1)的电阻率≤0.005Ω.cm；所述纳米材料层(2)的材料为掺铒硅纳米材料，在所述纳米材料层(2)上任意一点均能产生7种不同的光学响应信号，其分别为：空白背底、表面形貌、硅纳米材料的发光强度、铒离子的发光强度、硅纳米材料的中心发光波长、硅纳米材料的发光寿命、硅纳米材料和铒离子的发光强度比值；所述7种不同的光学响应信号均产生于所述掺铒硅纳米材料；所述掺铒硅纳米材料包含硅元素和铒元素，其中，硅元素以纳米硅的形式存在，所述铒元素全部以Er3+形态存在于所述硅纳米材料的晶格内且具有光学活性；优选的，所述掺铒硅纳米材料的平均粒径为3～5nm；所述7种不同的光学响应信号，除空白背底外，其余6种光学响应信号随所述任意一点在衬底上位置的改变而改变；所述编码容量的计算公式为：编码容量＝AB其中，A为硅基光学PUF中所述纳米材料层(2)上任意一点产生的光学响应信号的数量，A＝7，B为硅基光学PUF中所有点的总量。2.根据权利要求1所述的硅基光学PUF，其特征在于：所述边长平均值计算公式如下：其中，n是所述凹凸不平的结构的边的总数，Li是第i条边的长度；优选的，边长平均值＜830nm；更优选的，边长平均值为610±20nm。3.根据权利要求1所述的硅基光学PUF，其特征在于：所述深度平均值计算公式如下：其中，m是凹凸不平的结构凹槽的总数，Hi是第i个凹槽的深度，所述的深度为任意一个凹槽中最高点和最低点之间的垂直距离；优选的，深度平均值＜830nm；更优选的，深度平均值为660±20nm。4.根据权利要求1所述的硅基光学PUF，其特征在于：所述衬底(1)为含硅材料；优选的，所述的衬底(1)为掺杂的含硅材料；更优选的，所述衬底(1)为n型掺杂的硅片；优选的，所述掺杂的硅片中的掺杂元素为氮(N)，磷(P)，砷(As)，锑(Sb)中的至少一种；优选的，所述掺杂元素为砷(As)。5.根据权利要求1所述的硅基光学PUF，其特征在于：所述掺铒硅纳米材料的中心发光波长≥830nm；优选的，掺铒硅纳米材料的中心发光波长分别为830nm附近和1540nm附近。6.根据权利要求1‑5任一项所述的硅基光学PUF，其特征在于：在所述纳米材料层(2)上还存在有保护层(3)；优选的，所述保护层(3)吸收谱的波长范围与纳米材料层(2)的发光谱2CN116002689A权利要求书2/3页的波长范围不重叠；优选的，保护层(3)吸收截止波长≤400nm，所述吸收截止波长是指吸收谱上有吸收信号转为无吸收信号的临界值；优选的，所述保护层(3)的材料为聚合物；更优选的，所述保护层(3)的材料选自聚甲基丙烯酸甲酯，聚乙烯醇树脂，聚酰亚胺的至少一种；更优选的，所述保护层(3)的材料为聚甲基丙烯酸甲酯。7.权利要求1所述的硅基光学PUF的制备方法，其特征在于：所述的制备方法包含以下步骤：步骤(1)将硅片用包含铜离子、双氧水、氢氟酸的混合