CN109165007A - 基于自旋轨道耦合效应和热扰动的真随机数发生器 - Google Patents

Abstract

本发明为基于自旋轨道耦合效应和热扰动的真随机数发生器，包括十字交叉状自旋流生成层以及自下至上依次堆叠的：磁性材料层、绝缘层和盖帽层，或者是包括长条形自旋流生成层以及自下至上依次堆叠的：第一铁磁层、绝缘层、第二铁磁层、钉扎层、盖帽层，共二种结构；第一种结构的十字交叉状自旋流生成层上设置有读、写二对电极，第二种结构的长条形自旋流生成层上设置有写电极，盖帽层上设置有读电极；本发明真随机数发生器的随机性体现在磁性材料层或第一铁磁层上，通过调控自旋流生成层的写电流实现磁矩的随机性。简单结构，无复杂的附加电路，器件尺寸为纳米级，功耗低，可集成在各种便携的IC卡或可穿戴设备上，具有非常好的应用前景。

Description

基于自旋轨道耦合效应和热扰动的真随机数发生器

技术领域

本发明涉及基于自旋轨道耦合效应和热扰动的真随机数发生器，具体为一种基于自旋轨道耦合效应(SOT)和热扰动的真随机数发生器，可为数值模拟、密码学和通信安全领域提供安全高质量的随机数，属数字信息安全技术领域。

背景技术

互联网持续发展的今天，信息爆炸式增长，随之而来的是信息安全问题。据估算，2013年全球因网络安全问题导致的经济损失就达到5000亿美元，2014年网络安全已提升为国家战略。而实现网络信息安全的主要手段就是密码技术，包括对称加密、非对称加密、数字签名等，它们的核心都是要使用“随机码”对信息进行明文加密，因此随机数的的质量是决定信息安全的关键因素。

早期的随机数发生器伴随着编程语言的出现而诞生，其本质是用某种数学方法由“种子”递推出随机数列，我们把这种随机数列叫做伪随机数。1946年冯·诺伊曼提出了平方取中法：选择一个m位数Ni作为种子，做平方运算（记为Ni+ 1 = （Ni * Ni）...)，在这个数选中间m个位的数作为Ni+1。这个算法明显有很大弊端，不仅周期短而且分布不均匀，比如10000平方取中结果就一直为00000了；初如果初值为3792,其平方为14379264，其中间数字仍为3792。之后出现的同余法、移位指令法和梅森旋转算法等，对随机数的质量有所提高，但以上的的随机数都有一个共同的弊端，它们都是由某种数学方法推导而来，具有规律性和确定性，不能叫做真正的随机数；并且只要破解了生成随机数的算法，随机数列自然也被破解。因此，人们迫切需要质量更高的真随机数来满足现实需求。

现代密码学中认为，真随机数有以下几个特征：（1）不可预测性，（2）不可重复性，（3）可以通过随机性检验。为了产生不被破解的真随机数，人们想到利用很多物理信源的天然随机性。比如放射性衰变、热扰动、电子电路噪声、光源噪声、电子振荡器频率抖动、量子噪声等物理噪声，人们无法用一个简单的公式估计它们，具有无法预测的随机性。最简单比如抛骰子、掷硬币等试验，产生的数列可以认为是真随机数，但是由人工方法产生随机数的速度慢，随机性不高且易受到外界因素干扰。后来，佩特里在2000年通过电路热噪声源放大的方法得到了速率为1.4Mbit/s的随机序列；M.Bucci等人在2003年通过在低频振荡器与噪声放大器的反馈补偿电压，得到了10Mbit/s的高质量随机数；2010年B.Qi等人利用延迟的自外差法对半导体激光器的相位噪声进行测量，得到500Mbit/s的随机序列。当随机数列的质量得到保证的同时，随机数发生器产生随机序列的速度也在不断加快，近年出现的量子随机数发生器速度甚至达到了Gbit/s的量级。然而，无论是基于电路噪声还是量子噪声的随机数发生器，都有一个共同的缺点：关键元件的尺寸相对大，无法适应现在可穿戴、微型化的电子产业趋势。

中国发明专利“非易失性磁存储单元和器件”（CN99110623）所公开的是第一代MRAM使用电流产生的磁场进行写入，其不足之处是需要器件尺寸较大才能正确操作；发明专利“具有软邻接层的磁随机存取存储器”（CN200410006749）是利用电流写入磁性隧道结状态，当器件尺寸缩小时，则需要电流密度很大，这对于器件的制作提出了很大难度；发明专利“存储器单元和形成存储器单元的磁性隧道结(MTJ)的方法”（CN200980101856）虽然是利用自旋转移力矩效应的磁阻式随机存取存储，电流作为写入方式，可以实现非易失性存储，但制作工艺流程复杂，对刻蚀工艺的要求较高；同样的，发明专利“非易失性磁隧道结晶体管”（CN201180054198）因晶体管中包含两个磁性隧道结，其中一个用到反铁磁耦合，导致层状结构复杂和制作工艺困难等问题；发明专利“自旋转移力矩-磁性隧道结装置和操作方法”（CN201080023820）虽然是通过电流切换自旋转移矩磁性隧道结装置内的磁性元件的自由层的磁矩方向，但在利用自旋转移矩效应控制磁性隧道结的基础上，仍需用到电流产生的磁场辅助翻转；发明专利“双极性自旋转移切换”（CN201180063255）虽然可以实现双极性翻转，但是无法可重复编程式地控制磁性层的磁化方向；发明专利“用于MRAM装置的磁性隧道结结构”（CN201580005078）仅是在磁性隧道结单元中实现非易失性存储，不是一种基于磁性隧道结的真随机数发生器结构。

发明内容

本发明的目的是针对背景技术所提出问题，针对信息安全领域对于真随机数的需求以及目前的真随机数发生器存在的一些缺点，设计一种基于自旋轨道耦合(SOT)效应和热扰动的真随机数发生器，采用磁性材料，完全兼容于硅工艺，可实现大量产业化的需求。

本发明的技术方案是：基于自旋轨道耦合效应和热扰动的真随机数发生器，所述真随机数发生器结构的核心部分在于决定磁矩方向的自旋流生成层、磁性材料层和绝缘层，且由于读取方式的不同，存在两种不同的器件结构；第一种结构采用读取霍尔电阻的方式，在竖直方向由下到上依次堆叠为：自旋流生成层、磁性材料层、绝缘层和盖帽层；第二种结构采用读取磁性隧道结(MTJ)磁电阻的方式，在竖直方向上由下到上依次堆叠为自旋流生成层、第一铁磁层、绝缘层、第二铁磁层、钉扎层、盖帽层；两种结构的自旋流生成层均采用有强自旋耦合效应的重金属或者拓扑绝缘体材料，第一种结构的自旋流生成层呈十字交叉的Hall Bar结构，磁性材料层、绝缘层和盖帽层依次堆叠在自旋流生成层的十字交叉处上部；第二种结构的自旋流生成层呈长条状，第一铁磁层、绝缘层、第二铁磁层、钉扎层和盖帽层依次堆叠在呈长条状的自旋流生成层中部上面；

所述磁性材料层、第一铁磁层和第二铁磁层均是由铁磁材料制成，铁磁材料由于磁晶各项异性的存在，磁化曲线随着晶轴方向的不同存在差别，在某些方向上使样品达到饱和磁化状态所需要的外加磁场最小，则称该方向为易磁化轴，此时的磁晶各项异性能最低；同时在某些方向上达到饱和磁化状态最难，此时的磁各项异性能最高，铁磁材料在制成单层膜的时候，主要受到形状各向异性（退磁能）的影响，易磁化轴方向与水平方向保持平行；当在铁磁材料层上淀积一层绝缘层后，铁磁材料层和绝缘层之间会产生界面效应，所述界面效应的作用强于形状各向异性，使铁磁材料层的磁矩方向保持在垂直膜面方向；设定铁磁材料层的磁矩方向为信息的载体，本发明真随机数发生器的随机性体现在铁磁材料层磁矩的随机性，并通过调控自旋流生成层的写电流实现；

所述自旋流生成层由强自旋耦合效应的材料组成，包括：重金属或者拓扑绝缘体；电流通入自旋流生成层后，由于自旋轨道力矩（SOT）效应，电子会发生不对称散射，结果是在自旋流生成层与磁性材料层的边缘积累单自旋方向的电子；设定以自旋流生成层的膜面为平面直角坐标，自旋流生成层通入电流的方向设为X方向，垂直于膜面的Z方向上发生自旋散射并在自旋流生成层与铁磁材料层界面处积累单自旋电子，且累积的自旋方向保持在Y方向；第一种结构中，磁性材料层与自旋流生成层界面处累积的单方向自旋电子会通过自旋力矩转移，并改变磁性材料层的磁矩方向，第二种结构中；自旋流生成层与第一铁磁层界面处累积的单方向自旋电子会通过自旋力矩转移，并改变第一铁磁层的磁矩方向；当写电流足够大时，磁性材料层或第一铁磁层的磁矩被拉至水平方向，形成能量最高态的难磁化方向；当撤去写电流后，此时磁性材料层或第一铁磁层中的磁能最高，由于磁性材料层或第一铁磁层与绝缘层间界面效应导致的各向异性能所决定，磁性材料层或第一铁磁层中的磁能将自发回到磁场能最低的状态；垂直膜面向上与向下都是磁场能最低的状态，在磁矩发生偏转时将会受到热扰动的作用，随机地回到垂直向上或垂直向下；热扰动是自然界中的真随机熵源，因此撤去电流后磁矩方向保持在垂直向上与垂直向下的概率各占50%，这是本发明真随机数发生器实现真随机的原理。

进一步的，当铁磁材料层的尺寸制作的足够小，以至于磁性材料层仅有单磁畴时，即可保证磁性层的磁矩只有一个方向，这是本发明实施的前提。

本发明的有益效果是：采用本发明结构的真随机数发生器，不仅在基于物理熵源上实现了真随机性，而且使用多层堆叠的简单结构，没有复杂的附加电路，可大大缩小器件尺寸（纳米级别），功耗低，可以集成在各种便携的IC卡和可穿戴设备上，具有非常好的应用前景。

本发明中关键的磁矩翻转过程基于SOT效应，理论上时间在纳秒级别，产生随机数的速率可达到Gbit/s的数量级，与如今速率最快的量子随机数发生器相当，可满足未来更高的数据传输需求。

附图说明

图1是本发明基于自旋轨道耦合效应和热扰动的真随机数发生器实施例第一种结构示意图，是直接读取霍尔电阻且易磁化方向在z轴的结构，从下到上依次是自旋流生成层、磁性材料层、绝缘层、盖帽层。

图2是本发明基于自旋轨道耦合效应和热扰动的真随机数发生器实施例第二种结构示意图，采用读取MTJ磁电阻的读操作，从下到上依次是自旋流生成层、第一铁磁层、非磁层、第二铁磁层、钉扎层、盖帽层。

图3实施例第一种结构在未加写电流时测试的反常霍尔效应曲线，证实了此时磁性材料层的磁矩方向为垂直方向。

附图1中的标记说明：1—十字形自旋流生成层，2—磁性材料层，3—绝缘层，4—盖帽层，x、y—平面直角坐标轴。

附图2中的标记说明：

1.1—长条形自旋流生成层，2.1—第一铁磁层，3—绝缘层，2.2—第二铁磁层，4—盖帽层，5—钉扎层，W—写电极，R—读电极。

具体实施方式

下面结合附图对技术方案的实施作进一步的详细描述：

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

实施例一

如图1 所示，本发明基于自旋轨道耦合效应和热扰动的真随机数发生器，包括：十字形自旋流生成层1、磁性材料层2、绝缘层3、盖帽层4，读操作为读取磁性材料层2的霍尔电阻，设定：沿十字形自旋流生成层1之下平面为X轴和Y轴，则垂直于X、Y平面的Z轴方向自下到上依次堆叠有：由重金属材料或拓扑绝缘体制成的十字形自旋流生成层1、由铁磁材料制成的磁性材料层2、由绝缘材料制成的绝缘层3、盖帽层4；磁性材料层2由于与绝缘层3间存在界面效应，在不进行写操作时保持磁矩垂直膜面；十字形自旋流生成层1采用十字交叉的HallBar结构，在X轴和Y轴的正负方向上分别设置一对连接电极，X轴方向接入的电极用于接入写电流，Y轴方向接出的电流用于测量霍尔电压，十字形自旋流生成层1在写电流调控下产生自旋流；盖帽层4用于保护下面的绝缘层3和磁性材料层2。由图1可知，磁性材料层2、绝缘层3、盖帽层4分别依次堆叠在十字形自旋流生成层1膜面的中部之上。

本发明实施一中，选定：

十字形自旋流生成层的材料为钽（Ta）、铂（Pt）、钨（W）、Bi₂Se₃、Sb₂Te₃中的一种；

磁性材料层的材料为CoFeB或Co；

绝缘层的材料为MgO或AlOx；

盖帽层的材料为钽（Ta）或钛（Ti）。

在本发明实施例一中，写操作是在X轴方向电极施加写电流，电子在流经自旋流生成层后发生了自旋轨道耦合，从而在磁性层的界面处产生自旋积累（自旋方向为Y轴方向），由于自旋力矩转移，把磁性材料层的力矩方向由垂直方向拉至水平。当撤去写电流后，磁性材料层由磁场能最低原理，在热扰动作用下随机取向在垂直向上或垂直向下。

进一步地，通过Y轴方向的电极测量磁性材料层的霍尔电压，霍尔电压与写电流的比值为霍尔电阻。此处测得的霍尔电阻为反常霍尔电阻，根据公知的公式，反常霍尔电阻正比于磁矩（矢量）。因此磁性材料层磁矩随机取向的垂直向上或垂直向下，会体现出两个不同的霍尔电阻值。当把两个不同的霍尔电阻值分别定义为逻辑“1”和逻辑“2”时，就可以输出随机数列。

进一步地，本发明真随机数发生器实施例一的结构制作工艺是：先由膜层制备技术在硅晶元上依次制备出十字形自旋流生成层1、磁性材料层2、绝缘层3和盖帽层4的薄膜，然后再进行刻蚀和微纳加工得到。磁性材料层2、绝缘层3和盖帽层4呈相同大小的多边形或圆形结构，为了确保磁性材料层为单磁畴，优选直径小于200nm的圆形结构。

更进一步地，采用公知的磁控溅射技术、电子束蒸发技术或者脉冲激光沉积技术，制备本发明真随机数发生器的各层薄膜的膜层制备，各层薄膜的厚度随根据使用材料的特性设定。

实施例二

由图2所示，是本发明基于自旋轨道耦合效应和热扰动的真随机数发生器实施例第二种结构示意图，采用读取MTJ磁电阻的读操作，从下到上依次是长条形自旋流生成层1.1、第一铁磁层2.1、绝缘层3、第二铁磁层2.2、钉扎层5、盖帽层4，设定的参考坐标系同实施例一，具体结构为Z轴方向的多层堆叠结构，且第一铁磁层2.1、绝缘层3、第二铁磁层2.2、钉扎层5、盖帽层4依次堆叠在长条形自旋流生成层1.1的中部之上；其中：长条形自旋流生成层1.1由重金属材料或拓扑绝缘体制成，第一铁磁层2.1和第二铁磁层2.2由磁性材料制成。第一铁磁层2.1由于与绝缘层3之间存在的界面效应，在不进行写操作时保持磁矩垂直膜面；长条形自旋流生成层1.1的沿X轴正负方向两端连接一对电极，该电极对用于接入写电流，长条形自旋流生成层1.1在写电流调控下产生自旋流；第二铁磁层2.2由于钉扎层5作用，磁矩方向保持垂直向上或向下固定不变，且第一铁磁层2.1、绝缘层3与第二铁磁层2.2组成了MTJ结构；盖帽层4用于保护下面的绝缘层3、第一铁磁层2.1和第二铁磁层2.2，盖帽层4还用于接入读电极，用于读操作。

本发明实施二中，选定：

长条形自旋流生成层的材料为钽（Ta）、铂（Pt）、钨（W）、Bi₂Se₃、Sb₂Te₃中的一种；

第一铁磁层、第二铁磁层的材料为CoFeB；

绝缘层的材料为MgO、Al₂O₃、Cu中的一种。

盖帽层的材料为钽（Ta）或钛（Ti）。

钉扎层的材料为锰化铱(IrMn)或锰化镍(NiMn)。

本发明实施例二中，写操作时与实施例一相似，是在水平方向写电极W上施加写电流，在第一铁磁层2.1的界面处产生自旋积累（自旋方向为Y轴方向），把第一铁磁层2.1的力矩方向由垂直方向拉至水平。当撤去写电流后，第一铁磁层由磁场能最低原理，在热扰动作用下随机取向在垂直向上或垂直向下。

本发明实施例二不同于实施例一的地方在于：实施例二中，读操作是通过设置在盖帽层4上的读电极R读取电压，再计算MTJ结构的磁电阻。第二铁磁层2.2的磁矩方向固定，但第一铁磁层2.1随机地存在垂直向上和垂直向下两个磁矩方向。因此，MTJ结构的第一铁磁层2.1和第二铁磁层2.2两个铁磁层将出现平行和反平行两种状态，依据巨磁阻效应，平行状态可测得较低的磁电阻，反平行状态可测得较高的磁电阻。当把两个不同的磁电阻值分别定义为逻辑“1”和逻辑“2”时，即同样的可以输出随机数列。

进一步地，本发明真随机数发生器实施例二的结构制作工艺是：先由膜层制备技术在硅晶元上依次制备出备出十字形自旋流生成层1、磁性材料层2、绝缘层3和盖帽层4的薄膜，然后再进行刻蚀和微纳加工得到。磁性材料层2、绝缘层3和盖帽层4呈相同大小的多边形或圆形结构，为了确保磁性材料层为单磁畴，优选直径小于200nm的圆形结构。

更进一步地，采用公知的磁控溅射技术、电子束蒸发技术或者脉冲激光沉积技术，制备本发明真随机数发生器的各层薄膜的膜层制备，各层薄膜的厚度随根据使用材料的特性设定。

Claims (5)

1.基于自旋轨道耦合效应和热扰动的真随机数发生器，其特征在于：

包括自下到上依次堆叠的：自旋流生成层、磁性材料层、绝缘层、盖帽层；所述自旋流生成层呈十字交叉形的Hall Bar结构，自旋流生成层由重金属材料或拓扑绝缘体制成，所述磁性材料层由铁磁材料制成，所述绝缘层由绝缘材料制成，所述盖帽层由非铁导电金属材料制成；

所述真随机数发生器的制作工艺是：

先通过膜层制备技术在硅晶元上依次制备出十字交叉形自旋流生成层、磁性材料层、绝缘层和盖帽层的薄膜，然后再进行刻蚀和微纳加工得到；所述磁性材料层、绝缘层和盖帽层分别依次堆叠在呈十字交叉形的自旋流生成层的膜面之上的中部区域；

设定：十字交叉形自旋流生成层几何中心为平面直角坐标零点，十字交叉中前后方向为X轴，左右方向为Y轴；在十字交叉形自旋流生成层的X轴和Y轴的正负方向上分别设置有一对连接电极，其中：X轴方向接入的电极用于接入写电流，Y轴方向接出的电流用于测量霍尔电压；所述磁性材料层在写电流调控下产生自旋流，把磁性材料层的力矩方向由垂直方向拉至水平，当撤去写电流后，磁性材料层中的磁矩随机取向在垂直向上或垂直向下。

2.如权利要求1所述基于自旋轨道耦合效应和热扰动的真随机数发生器，其特征在于：所述真随机数发生器包括自下到上依次堆叠的：自旋流生成层、第一铁磁层、绝缘层、第二铁磁层、钉扎层、盖帽层；第一铁磁层、绝缘层与第二铁磁层三者组成MTJ结构；所述自旋流生成层呈长条形结构，长条形自旋流生成层由重金属材料或拓扑绝缘体制成，所述第一铁磁层和第二铁磁层由铁磁材料制成，所述绝缘层由绝缘材料制成，所述盖帽层由非铁导电金属材料制成；第一铁磁层、绝缘层、第二铁磁层、钉扎层、盖帽层呈相同大小的多边形或圆形结构；

所述真随机数发生器的制作工艺是：

先通过膜层制备技术在硅晶元上依次制备出长条形自旋流生成层、第一铁磁层、绝缘层、第二铁磁层、钉扎层、盖帽层的薄膜，然后再进行刻蚀和微纳加工得到；第一铁磁层、绝缘层、第二铁磁层、钉扎层、盖帽层分别依次堆叠在呈长条形的自旋流生成层的膜面之上的中部区域；

设定：长条形自旋流生成层几何中心为平面直角坐标零点，前后方向为X轴，左右方向为Y轴，垂直向上为Z轴；在长条形自旋流生成层的X轴正负方向上设置有一对用于接入写电流的写电极，沿Z轴方向的盖帽层上部设置有读电极，所述读电极接出的电流用于测量霍尔电压；当写电极上施加写电流时，在第一铁磁层的界面处产生方向为沿Y轴的自旋积累，把第一铁磁层的力矩方向由垂直方向拉至水平，当撤去写电流后，第一铁磁层的磁矩方向随机取向在垂直向上或垂直向下，所述读电极用于读取电压，再计算MTJ结构的磁电阻，第二铁磁层的磁矩方向固定。

3.如权利要求1所述基于自旋轨道耦合效应和热扰动的真随机数发生器，其特征在于：所述十字形自旋流生成层的材料为钽（Ta）、铂（Pt）、钨（W）、Bi₂Se₃、Sb₂Te₃中的一种；所述磁性材料层的材料为CoFeB或Co；所述绝缘层的材料为MgO或AlOx；所述盖帽层的材料为钽（Ta）或钛（Ti）。

4.如权利要求2所述基于自旋轨道耦合效应和热扰动的真随机数发生器，其特征在于：所述长条形自旋流生成层的材料为钽（Ta）、铂（Pt）、钨（W）、Bi₂Se₃、Sb₂Te₃中的一种；所述第一铁磁层、第二铁磁层的材料为CoFeB；所述绝缘层的材料为MgO、Al₂O₃、Cu中的一种，所述盖帽层的材料为钽（Ta）或钛（Ti），所述钉扎层的材料为锰化铱(IrMn)或锰化镍(NiMn)。

5.如权利要求1或权利要求2所述基于自旋轨道耦合效应和热扰动的真随机数发生器，其特征在于：所述磁性材料层、绝缘层和盖帽层呈相同大小的多边形或圆形结构，当为圆形结构时，设定圆的直径小于200nm；所述第一铁磁层、绝缘层、第二铁磁层、钉扎层、盖帽层也是呈相同大小的多边形或圆形结构，当为圆形结构时，设定圆的直径小于200nm。