2D SnSeの粒界駆動型確率的酸化接合が実現する二重の電気・光PUF

なぜ小さな欠陥があなたのデジタル生活を守れるのか

スマートロックからコネクテッドカーまで、現代の機器は時に複製やハッキングされうる秘密のコードに依存しています。本研究は、超薄膜のセレン化スズ（SnSe）結晶内に自然に存在する不完全さを、各チップに固有の「指紋」として組み込めることを示しています。フィルムの一部を制御された方法で穏やかに酸化することで、研究者たちは電気的および光学的に読み取れる複雑でランダムなパターンを生成し、精密な回路設計を必要とせずに改ざん耐性のあるセキュリティを提供します。

平らな膜を迷路に変える

研究は、シリコンウェハ上に溶液から成長させた大面積で平滑な2次元半導体SnSeのフィルムから始まります。表面は均一に見えるものの、実際には多くの小さな結晶粒が粒界でつながった構造で、原子配列が完全に揃っていない薄い内部の継ぎ目が存在します。この見えない継ぎ目がセキュリティ方式の鍵になります。研究チームは酸素を含む環境下で紫外線を照射し、粒界に沿って酸素原子がSnSeに侵入することを促します。時間とともに、これらの領域は部分的に二酸化スズ（SnO₂）という絶縁性酸化物に変わり、一方でその間の領域は主にSnSeのまま残ります。かつて均一だった層は、導電領域と絶縁領域が入り混じる精緻なモザイクへと変貌し、従来のリソグラフィーでは描けないランダムなパターンが生まれます。

フィルムが静かに再配列する様子を観察する

この隠れた再配列を可視化するために、研究者たちは高性能の顕微鏡や表面感受性プローブを用います。電子顕微鏡は、元のSnSeフィルムが良く配列し化学的にも均一であることを示します：スズとセレンが均等に分布し、膜厚は約20ナノメートルで、人間の髪の毛より何千分の一も薄いことが分かります。制御されたUV処理後には状況が変わります。原子間力顕微鏡はより粗い粒状の表面を明らかにし、化学マップは酸素が粒界に沿って集中していることを示します。X線測定はスズ原子が低い酸化状態から高い酸化状態へ移行する様子を追跡し、SnSeマトリクス内部でSnO₂領域が徐々に生成されていることを裏付けます。同時に、フィルムの可視光吸収は減少し、面内電気抵抗は表面上でより不規則になり、内部の地形がパッチ状で多様になった明確な兆候が得られます。

ランダムな経路から秘密のデジタル鍵へ

これらの微視的変化は、フィルムから作られたデバイス内の電流の流れ方に強い影響を与えます。研究チームは、SnSe層をシリコンウェハと金属電極の間に挟んだ15×15の小さなダイオード配列を作製します。酸化前はデバイスの挙動は類似しており、電流–電圧曲線はほぼ一致して配列は比較的均一です。しかし短時間のUV処理の後、各ダイオードの接合部は局所的に異なるSnSeとSnO₂の混合比を持つようになります。ある経路は電子にとって通りやすくなり、別の経路は部分的に遮られます。その結果、同じ電圧を配列に印加した際に数オーダー以上（長時間酸化では4桁以上）にわたる広い電流分布が現れます。中間的な酸化時間を選ぶことで、分布は大きくなりつつもデバイスは依然として信頼性を保つ最適点に到達します。この多様性こそが配列を物理的非複製関数（PUF）に変えるために必要なもので、各デバイス位置はわずかに異なるアナログ電流を生み出し、それをユニークな二進パターンのゼロと一に変換できます。

光を第二の秘密チャネルとして追加する

同じフィルムは光にも応答し、第二の独立した乱数源を提供します。配列に一定電圧を印加したまま穏やかな緑色光で照らすと、混合したSnSe/SnO₂接合部で追加のキャリアが生成されます。各接合の構造が微妙に異なるため、光によって誘起される電流変化は暗時の挙動を単に反映するだけではなく、デバイスごとに異なります。チームは複数の電圧条件下で暗時および照明下の電流マップを測定し、各マップを所定のしきい値と比較して二値鍵に変換します。統計検定の結果、電気的鍵と光補助鍵はほぼ完全なゼロと一のバランスと高い乱雑性を示し、重要なことに両モード間の相関は弱いことが分かりました。つまり、同じ物理配列に光を当てることで、ハードウェアを変更することなく第二の直交する鍵空間を効果的に解放できます。

将来の安全なハードウェアのための安定した指紋

どんなセキュリティ技術でも安定性が重要です。研究者たちは選んだデバイスを数週間にわたり大気中で追跡し、電圧を数百回サイクルさせ、サンプルを加熱し、加速劣化試験にさらしました。これらの試験を通じて、電流レベルはわずかに変動するにとどまり、より重要なことに相対的な順位は保たれるため、導出されるデジタル鍵は一貫性を維持します。本研究は、溶液プロセスで作製した2D SnSe膜に対する単純で均一な後処理（UV駆動酸化）が、通常の半導体層を堅牢で再構成可能な物理的乱数源に変えうることを示しています。乱数は意図的なマイクロパターニングではなくフィルムの内在する粒構造と酸化形成に結びついているため、複製は非常に困難であり、IoTなど向けのスケーラブルで組み込み型のハードウェア指紋への有望な道を提供します。

引用: Song, J., Lee, D., Cho, J. et al. Grain-boundary-driven stochastic oxide junction in 2D SnSe enables dual electrical-optical PUFs. npj 2D Mater Appl 10, 52 (2026). https://doi.org/10.1038/s41699-026-00683-4

キーワード: ハードウェアセキュリティ, 物理的非複製関数, 2次元材料, セレン化スズ, 粒界酸化