CN109521996B - 基于电子自旋的多态真随机数发生器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电子自旋的多态真随机数发生器，包括以磁性材料为基础来产生真随机数的膜层重叠排列结构，该结构包括有基于SOT效应的结构或基于热效应的结构；不仅具备真随机性，而且具有尺寸小，结构简单，产生高质量随机数序列的速度快、效率高，抗辐射性能高，抗干扰能力强的特点。

Description

基于电子自旋的多态真随机数发生器

技术领域

本发明涉及了信息安全领域，更具体地，提出了一种基于磁性材料电子自旋的多态真随机数发生器，可以用来进行数值模拟、用于密码学等并且为信息安全领域提供更高质量的随机数。

背景技术

我们知道，随机数在信息安全领域有着广泛的应用和举足轻重的地位，所用的随机数的质量甚至决定着安全系统的性能。伪随机数发生器和一般质量的真随机数发生器已经渐渐无法满足高速发展的社会的需求和呈爆炸式增长的需要保护的信息。随着计算机技术，通信技术的进一步发展，以及网络的普及，信息的流通已经极其便利，与此同时，个人信息遭到侵入，隐私被泄露的问题层出不穷，安全问题成了一个亟待解决的问题，受到各界的高度重视。密码技术是保护信息安全的重要手段之一，被看做保护信息安全的核心技术。密码技术在解决网络信息系统的身份认证、安全接入以及信息的保密性、完整性、可控性和不可否认性等方面至关重要。而在密码技术中，随机数既有重要地位，在中所得密码学协议、密钥管理、数字签名和身份认证等方面都要用到随机数。所以，研究开发出一款高质量的真随机数发生器是一件很有意义的、能够推动社会发展的工作。

随机数发生器分为伪随机数发生器(Pseudo random number generator，PRNG)和真随机数发生器(true random number generator，TRNG)。伪随机数发生器一般由软件产生，比如用编程语言实现的随机数发生器，具有某种可以预测的规律性和确定性，不能叫做真正的随机数，这种随机数产生的密码的安全指数很低。真随机数一般由硬件产生，利用一些物理信源的天然随机性来产生真随机数。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。利用这些物理信源，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。然而，它们的关键元件的尺寸相对较大，无法满足集成化、微型化的电子产业趋势。

在现代密码学中关于随机数序列的定义是这样的：

(1)看起来是随机的；

(2)这个序列是不可预测的；

(3)这个序列是不可重复产生的。

真随机序列应该满足以下几个要求：

1)具有不可预测性；

2)不能重复产生；

3)能通过随机性检验。

目前的随机数发生器主要有以下为几种：人工方法产生的随机数、利用计算机生成的伪随机数、基于电路的真随机数发生器和量子随机数发生器等等。伪随机数的安全性差很多，完全不能跟真随机数比量。一般，基于电路的随机数发生器所产生的的高质量的随机序列的速度较慢，效率较低，满足不了社会发展快速化的需求；量子随机数发生器速度很快，但是尺寸大，集成度不高。所以，面对社会发展对信息存储安全性的需求，急需要一种真随机数发生器来提供高质量的、速度快的、集成度高的随机数序列。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于电子自旋的多态真随机数发生器，不仅具备真随机性，而且具有尺寸小，结构简单，产生高质量随机数序列的速度快、效率高，抗辐射性能高，抗干扰能力强、耐用性强的特点。

本发明的技术方案为，一种基于电子自旋的多态真随机数发生器，包括以磁性材料为基础来产生真随机数的膜层重叠排列结构，该结构包括有基于SOT效应的结构或基于热效应的结构。

进一步改进在于：所述磁性材料的磁畴的数目大于等于两个，以实现磁矩被拉到难磁化方向，从而有机会实现随机翻转，所以本发明的Hall Bar结构的中间部分尺寸要达到亚微米尺寸。

进一步改进在于：基于SOT效应的结构包括有基于SOT效应的直接读取电阻结构以及基于SOT效应的利用MTJ或者自旋阀读取电阻的结构。

进一步改进在于：所述基于SOT效应的直接读取电阻结构是直接读取霍尔电阻且易磁化方向在z轴的结构，从下到上依次是由重金属或拓扑绝缘体材料制成的自旋流生成层、由铁磁材料制成的磁性材料层、由绝缘材料制成的绝缘层、盖帽层；所述自旋流生成层用于产生自旋流，并通过SOT效应作用在磁性材料的磁畴上，磁性材料层是器件的核心结构，不同的磁化状态对应不同的电阻状态；绝缘层用于提供垂直磁各向异性，使得相邻磁性材料层的易磁化方向垂直于其膜面；盖帽层用于保护自旋流生成层、磁性材料层以及绝缘层；所述磁性材料层易磁化方向在z轴方向，具有多层薄膜结构，所述自旋流生成层为十字形状Hall Bar结构；磁性材料层、绝缘层以及盖帽层形状为大小相同的多边形或椭圆形，并且依次重叠于自旋流生成层十字形状的交叉部分之上；随机数发生器具有四个端口分别命名第一电极、第二电极、第三电极和第四电极。

进一步改进在于：所述基于SOT效应的利用MTJ或者自旋阀读取电阻的结构是通过MTJ或者自旋阀结构进行读写操作且易磁化方向在z轴的结构，从下到上依次是自旋流生成层、第一铁磁层、非磁性层、第二铁磁层、钉扎层、盖帽层；所述铁磁层易磁化方向在z轴方向，具有多层薄膜结构，第一铁磁层、非磁性层、第二铁磁层、钉扎层以及盖帽层的膜面为大小相同的多边形或椭圆形，依次堆叠在长条状的自旋流生成层的中部，使得自旋流生成层至少有两个相对的凸出端，分别为随机数发生器的第一电极和第二电极，盖帽层为随机数发生器的第三电极。

进一步改进在于：所述自旋流生成层的材料为Ta、Pt、W、Bi₂Se₃、Sb₂Te₃；磁性材料层的材料为CoFeB或Co；绝缘层的材料为MgO或AlO_x；盖帽层的材料为Ta或钛Ti。

进一步改进在于：自旋流生成层的材料为Ta、Pt、W、Bi₂Se₃或Sb₂Te₃；第一铁磁层的材料为CoFeB；第二铁磁层的材料为CoFeB；非磁性层的材料为MgO、Al₂O₃或Cu；盖帽层的材料为Ta或钛Ti。

进一步改进在于：所述基于热效应的结构包括基于热效应的直接读取电阻结构和基于热效应的利用MTJ或者自旋阀读取电阻的结构。

进一步改进在于：所述基于热效应的直接读取电阻结构的易磁化方向是任意的，从下到上依次是金属层、磁性材料层、绝缘层、盖帽层，所述金属层为Hall Bar结构，其膜面呈十字形状；磁性材料层、绝缘层以及盖帽层的膜面为大小相同的多边形或椭圆形，并且依次重叠于金属层十字形状的交叉部分之上，随机数发生器具有第一电极、第二电极、第三电极和第四电极四个电极端口，用于通电流或者测电压；金属层的材料为Cu、Al、Au、Pt、Ta；磁性材料层的材料为CoFeB、Co；绝缘层的材料为MgO或AlO_x；盖帽层的材料为Ta或钛Ti。

进一步改进在于：所述基于热效应的利用MTJ或者自旋阀读取电阻的结构从下到上依次是金属层、第一铁磁层、非磁性层、第二铁磁层、钉扎层、盖帽层。

随机数发生器的结构先由磁控溅射技术、电子束蒸发技术或者脉冲激光沉积技术等在硅晶元上依次制备出备出自旋流生成层、磁性材料层、绝缘层和盖帽层的薄膜，然后进行离子束刻蚀和光刻技术等微纳加工工艺得到。器件各层薄膜的厚度需要根据使用材料的特性进行设定。

本发明的有益效果是：按照本发明实现的多态真随机数发生器不仅具备真随机性，而且具有尺寸小，结构简单，产生高质量随机数序列的速度快、效率高，抗辐射性能高，抗干扰能力强的特点。相比于现有的真随机数发生器，它的尺寸为亚微米级别，符合当今社会集成化、微型化的发展趋势，并且SOT效应使磁畴翻转的时间在纳秒级别，产生的随机数在理论上基本可以达到Gbit/s的数量级，满足数据传输越来越快的发展需求。

相比于同样基于磁性材料的两态真随机数发生器而言，多态真随机数发生器产生的随机数序列质量更高，更难被破解。如果一个n位的序列，两态的随机数发生器就有2ⁿ种结果，3态的随机数发生器有3ⁿ种结果，……，m态的随机数发生器有mⁿ种结果，这是一个巨大数量的增幅，如果用于密码学，被破解的难度将大大增加。并且多态随机数发生器是具有磁畴壁的，而相应的二态随机数发生器是单磁畴的，原理上有所差别。所以当随机数序列位数相同时，多态的随机数发生器产生的随机数序列的质量更高，被破解的难度将大大增加。这也是信息安全领域最为关注的地方，是密码学最本质的追求，也是本发明最大的优势。

附图说明

图1是本发明多态真随机数发生器原理的磁畴由激发态变化到最终态的示意图。

图2是本发明基于SOT效应实现多态真随机数的器件的第一种结构示意图。

图3是本发明基于SOT效应实现多态真随机数的器件的第二种结构示意图(通过MTJ或者自旋阀结构进行读写操作且易磁化方向在z轴的结构)

图4是本发明基于SOT效应实现多态真随机数的器件的第二种结构示意图(通过MTJ或者自旋阀结构进行读写操作且易磁化方向在x轴的结构)。

图5是本发明基于焦耳热效应实现多态真随机数的器件的第一种结构示意图。

图6是本发明基于焦耳热效应实现多态真随机数的器件的第二种结构示意图。

图7是本发明反常霍尔效应曲线图。

图8是本发明霍尔电阻随测试次数的变化曲线图。

图9是本发明按电阻状态整理后的曲线图。

图10是本发明三个电阻态的数量占比柱状图。

具体实施方式

为了加深对本发明的理解，下面将结合实施例对本发明做进一步详述，本实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。

一种利用SOT效应实现多态真随机数发生器的方法，即首先应用自旋霍尔效应，在重金属层或者拓扑绝缘体层通过电流，产生自旋流，使得同一自旋方向的电子发生集聚。然后由于SOT效应，自旋流会对相邻磁性层中磁畴的磁矩产生力的作用，使得磁矩发生翻转，且电流越大，翻转角度越大。当电流值到达一定值之后，磁畴的磁矩翻转到与易磁化方向垂直的难磁化方向。此时，撤去电流之后，磁畴的磁矩会随机向上或者向下发生翻转，再次回到易磁化方向。本发明中磁性材料存在两个及两个以上且有限个磁畴，这样就会随机产生一些稳定的电阻态。以两个磁畴为例，会产生三种不同阻值的电阻态，从而可以用于产生真随机数，如下述实施例一和实施例二。

实施例一

如图2所示，本实施例提供了一种基于磁性材料电子自旋的多态真随机数发生器，其磁性材料层易磁化方向在z轴方向，具有多层薄膜结构。

所述基于SOT效应的直接读取电阻结构是直接读取霍尔电阻且易磁化方向在z轴的结构，从下到上依次是由重金属或拓扑绝缘体材料制成的自旋流生成层、由铁磁材料制成的磁性材料层、由绝缘材料制成的绝缘层、盖帽层；所述自旋流生成层用于产生自旋流，并通过SOT效应作用在磁性材料的磁畴上，磁性材料层是器件的核心结构，不同的磁化状态对应不同的电阻状态；绝缘层用于提供垂直磁各向异性，使得相邻磁性材料层的易磁化方向垂直于其膜面；盖帽层用于保护自旋流生成层、磁性材料层以及绝缘层；所述磁性材料层易磁化方向在z轴方向，具有多层薄膜结构，所述自旋流生成层为十字形状Hall Bar结构；磁性材料层、绝缘层以及盖帽层形状为大小相同的多边形或椭圆形，并且依次重叠于自旋流生成层十字形状的交叉部分之上；随机数发生器具有四个端口分别命名第一电极、第二电极、第三电极和第四电极，且用于通电流和测电压。

所述自旋流生成层的材料为Ta、Pt、W、Bi₂Se₃、Sb₂Te₃；磁性材料层的材料为CoFeB或Co；绝缘层的材料为MgO或AlO_x；盖帽层的材料为Ta或钛Ti。

在第一电极和第二电极之间或者第三电极和第四电极之间施加电流，电流流过自旋流生成层时，由于自旋霍尔效应会产生自旋流，基于SOT效应，会作用在磁性材料的磁畴磁矩上，使其方向发生翻转至与易磁化方向垂直的难磁化方向。当去掉自旋流生成层所加的电流后，磁畴的磁矩方向会随机取向(向上或向下)，多态随机数发生器的两个磁畴会分别回到易磁化方向，如果两个磁畴都处于磁化向上的状态，则电阻表现为高阻态；如果两个磁畴都处于磁化向下的状态，则电阻表现为低阻态；如果两个磁畴一个磁化向上，一个磁化向下，则电阻表现为中间组态。这样，器件会随机处于三种稳态中的一种，表现为三种电阻状态。

通过在第一电极和第二电极之间或者在第三电极和第四电极之间施加脉冲写电流，实现写操作；通过在第一电极和第二电极或者第三电极和第四电极之间施加读电流，并读取另两个电极之间的电压，得到器件的电阻值。写电流的电流密度大于或等于10⁶A/cm²；读电流的电流密度小于10⁶A/cm²。

这样，多态随机数发生器能够产生三种电阻态，如果设置一个n位的序列，那么就会有3ⁿ种情况，当n达到一定值时，被破解的概率就非常小，产生的随机数的质量远远优于二态。

实施例二

如图3所示，本实施例提供了一种基于磁性材料电子自旋的多态真随机数发生器，铁磁层易磁化方向在z轴方向，具有多层薄膜结构。所述基于SOT效应的利用MTJ或者自旋阀读取电阻的结构是通过MTJ或者自旋阀结构进行读写操作且易磁化方向在z轴的结构，从下到上依次是自旋流生成层、第一铁磁层、非磁性层、第二铁磁层、钉扎层、盖帽层；所述铁磁层易磁化方向在z轴方向，具有多层薄膜结构，第一铁磁层、非磁性层、第二铁磁层、钉扎层以及盖帽层的膜面为大小相同的多边形或椭圆形，依次堆叠在长条状的自旋流生成层的中部，使得自旋流生成层至少有两个相对的凸出端，分别为随机数发生器的第一电极和第二电极，盖帽层为随机数发生器的第三电极。

第一铁磁层、非磁性层以及第二铁磁层构成经典“三明治”的MTJ(MagneticTunnel Junction，磁性隧道结)或自旋阀结构(当非磁性层由可用于电子隧穿的绝缘材料制成时，第一铁磁层、非磁性层以及第二铁磁层构成MTJ结构；当非磁性层由金属材料制成时，第一铁磁层、非磁性层以及第二铁磁层构成自旋阀结构)。

基于SOT效应，在第一电极和第二电极之间施加写电流，电流流过自旋流生成层时，由于自旋霍尔效应，自旋流生成层会产生自旋流，基于SOT效应会作用于第一铁磁层的磁畴磁矩，使其翻转至难磁化方向，撤去写电流后，磁畴磁矩方向会随机取向，所以多态真随机数发生器阻值处于三种电阻态中的一种。与本发明的实施例一相比较，本实施例只是读电阻的方式不同，第一方面是直接读取的霍尔电阻，本实施例是通过MTJ或者自旋阀来进行读写操作。

通过在第一电极和第二电极之间施加脉冲写电流，实现对所述随机数发生器的写操作；在第一电极和第三电极之间或者在第二电极和第三电极之间施加读电流，并读取其电压，得到器件电阻值。写电流的电流密度大于或等于10⁶A/cm²；读电流的电流密度小于10⁶A/cm²。

所述自旋流生成层的材料为Ta、Pt、W、Bi₂Se₃或Sb₂Te₃；第一铁磁层的材料为CoFeB；第二铁磁层的材料为CoFeB；非磁性层的材料为MgO、Al₂O₃或Cu；盖帽层的材料为Ta或钛Ti。

一种利用焦耳热效应实现多态真随机数发生器的方法，即首先在金属层通电流，由于焦耳定律会产生焦耳热，热能够使得磁性材料退磁，等到不通电流，磁性材料回到室温时，磁性材料磁畴的磁矩方向也会随机取向，以两个磁畴为例，同样的道理也会出现三种电阻状态，可以用于组成随机数序列，如下述实施例三和实施例四。

实施例三

如图5所示，本实施例提供了一种基于铁磁材料电子自旋的多态真随机数发生器，具有多层薄膜结构，所述基于热效应的直接读取电阻结构的易磁化方向是任意的，从下到上依次是金属层、磁性材料层、绝缘层、盖帽层，所述金属层为Hall Bar结构，其膜面呈十字形状；磁性材料层、绝缘层以及盖帽层的膜面为大小相同的多边形或椭圆形，并且依次重叠于金属层十字形状的交叉部分之上，随机数发生器具有第一电极、第二电极、第三电极和第四电极四个电极端口，用于通电流或者测电压；金属层的材料为Cu、Al、Au、Pt、Ta；磁性材料层的材料为CoFeB、Co；绝缘层的材料为MgO或AlOx；盖帽层的材料为Ta或钛Ti。

在第一电极对之间或者第二电极对之间施加电流，电流流过金属层后，由于焦耳定律会产生焦耳热，由于热效应会使得磁性材料层退磁。撤去电流后，冷却至室温，磁性材料会恢复磁性，恢复磁性的过程中磁畴磁矩的方向会随机取向，随机成三种稳态中的一种，表现为三种电阻态中的一种。

通过在第一电极和第二电极之间或者在第三电极和第四电极之间施加脉冲写电流，实现写操作；通过在第一电极和第二电极或者第三电极和第四电极之间施加读电流，并读取另两个电极之间的电压，得到器件电阻值。

实施例四

如图6所示，本实施例提供了一种基于铁磁材料电子自旋的多态真随机数发生器，具有多层薄膜结构，其基于热效应的利用MTJ或者自旋阀读取电阻的结构从下到上依次是金属层、第一铁磁层、非磁性层、第二铁磁层、钉扎层、盖帽层。通过MTJ或者自旋阀结构来进行读写操作。

通过在第一电极和第二电极之间施加写电流，产生焦耳热使得第一铁磁层退磁，然后撤掉写电流，恢复至室温，第一铁磁层磁畴的磁矩方向会随机取向，从而器件的电阻值会出现三种状态，实现对所述随机数发生器的写操作；在第一电极和第三电极之间或者在第二电极和第三电极之间施加读电流，并读取第一电极和第三电极之间或者第二电极和第三电极之间的电压，得到器件的电阻值。

上述实施例中的普通金属层用于产生焦耳热，自旋流生成层用于产生自旋流，并通过SOT效应作用在磁性材料的磁畴上。磁性材料层是器件的核心结构，不同的磁化状态对应不同的电阻状态；绝缘层用于提供垂直磁各向异性，使得相邻磁性材料层的易磁化方向垂直于其膜面；盖帽层用于保护自旋流生成层、磁性材料层以及绝缘层。

上述实施例中，我们设定电流的方向为x轴，垂直方向为z方向，由于自旋霍尔效应生成的自旋极化电子是沿y方向的，所以基于SOT效应的磁性层的易磁化轴方向分为处于z轴和x轴两种情况，我们可以通过改变磁性层的材料或厚度来实现这两种情况。这两种情况都可以实现产生真随机数序列的目的，原理是相同的，但是易磁化方向沿x轴只有基于MTJ或自旋阀结构来进行读写操作这一种结构，而沿z轴方向的有直接读取霍尔电阻和基于MTJ或者自旋阀结构进行读写操作两种结构。基于焦耳热效应的结构的易磁化方向可以是任意方向的，都能够产生真随机数，原理和基于SOT效应的有所差别。

从图7中的曲线证明了器件的磁性材料的初始磁化方向是垂直方向的，从图8中可以明显地看出具有三个电阻态，从图9中可以明显看出各个电阻态的比例。

本发明的结构中磁性材料存在多个磁畴(两个及以上)，以存在两个磁畴为例，磁性层将存在三种稳定状态，一种是没有磁畴壁的，磁化方向都向上的状态，对应最大电阻态；一种有磁畴壁的状态，磁畴壁被钉扎在中间，两边的磁畴分别是磁化向上和磁化向下的，对应中间电阻态；一种是没有磁畴壁的，磁化方向都向下的状态，对应最小电阻态。当底层是自旋流生成层(重金属或者拓扑绝缘体)时，由于有SOT效应，会使得两个磁畴的磁化方向翻转至与易磁化方向垂直的难磁化方向(与电流方向垂直且在面内的方向，即y方向)，去掉电流时，两个磁畴会分别回到易磁化方向(这里涉及两种结构，一种是易磁化方向垂直于薄膜面的，即z方向；一种是易磁化方向沿电流方向的，即x方向)，就会有物理性随机取向，这样的话就会出现三种电阻状态，用于组成随机数序列；当底层是普通金属时，由于金属层通电流会产生焦耳热，热能使得磁性材料退磁，等到不通电流回到室温时，两个磁畴的磁矩方向也会随机取向，同样的道理也会出现三种电阻状态，用于组成随机数序列。

这样，如果基于SOT效应，在自旋流生成层中通一定大小的电流，由于自旋霍尔效应(Spin Hall Effect,SHE)会在自旋流生成层与磁性材料层或者第一铁磁层的边缘积累单自旋方向的电子(电子的自旋方向由写电流方向决定)，当写电流到一定值时，磁性材料层或第一铁磁层的磁矩被拉至水平方向，处于难磁化方向(能量最高态)；撤去写电流后，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；在磁矩发生偏转时将会受到热扰动的作用，随机地回到易磁化方向；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％，所以能产生质量很高的真随机数序列。

如果基于热效应，在金属中通电流产生焦耳热，焦耳热使得磁性材料层退磁。撤去电流冷却后，磁畴的磁矩方向会随机取向，也会产生高质量的随机数。

本发明采用脉冲电流的测试方法进行测试，确定好电流值大小后，进行大量的脉冲电流测试，得到对应数量的电阻值，发现其满足真随机数的要求，可以产生高质量的随机数序列。

Claims (7)

1.一种基于电子自旋的多态真随机数发生器，其特征在于：包括以磁性材料为基础来产生真随机数的膜层重叠排列结构，该结构包括有基于SOT效应的结构；

所述磁性材料的磁畴的数目大于等于两个；

基于SOT效应的结构包括有基于SOT效应的直接读取电阻结构以及基于SOT效应的利用MTJ或者自旋阀读取电阻的结构；

所述基于SOT效应的直接读取电阻结构是直接读取霍尔电阻且易磁化方向在z轴的结构，从下到上依次是由重金属或拓扑绝缘体材料制成的自旋流生成层、由铁磁材料制成的磁性材料层、由绝缘材料制成的绝缘层、盖帽层；所述自旋流生成层用于产生自旋流，并通过SOT效应作用在磁性材料的磁畴上，磁性材料层是器件的核心结构，不同的磁化状态对应不同的电阻状态；绝缘层用于提供垂直磁各向异性，使得相邻磁性材料层的易磁化方向垂直于其膜面；盖帽层用于保护自旋流生成层、磁性材料层以及绝缘层；所述磁性材料层易磁化方向在z轴方向，具有多层薄膜结构，所述自旋流生成层为十字形状Hall Bar结构；磁性材料层、绝缘层以及盖帽层形状为大小相同的多边形或椭圆形，并且依次重叠于自旋流生成层十字形状的交叉部分之上；随机数发生器具有四个端口分别命名第一电极、第二电极、第三电极和第四电极，且用于通电流和测电压；

在第一电极和第二电极之间或者第三电极和第四电极之间施加电流，电流流过自旋流生成层时，由于自旋霍尔效应会产生自旋流，基于SOT效应，作用在磁性材料的磁畴磁矩上，使磁畴磁矩方向发生翻转至与易磁化方向垂直的难磁化方向；当去掉自旋流生成层所加的电流后，磁畴的磁矩方向随机取向，向上或向下，多态随机数发生器的两个磁畴分别回到易磁化方向，如果两个磁畴都处于磁化向上的状态，则电阻表现为高阻态；如果两个磁畴都处于磁化向下的状态，则电阻表现为低阻态；如果两个磁畴一个磁化向上，一个磁化向下，则电阻表现为中间组态。

2.根据权利要求1所述的多态真随机数发生器，其特征在于：所述基于SOT效应的利用MTJ或者自旋阀读取电阻的结构是通过MTJ或者自旋阀结构进行读写操作且易磁化方向在z轴的结构，从下到上依次是自旋流生成层、第一铁磁层、非磁性层、第二铁磁层、钉扎层、盖帽层；所述铁磁层易磁化方向在z轴方向，具有多层薄膜结构，第一铁磁层、非磁性层、第二铁磁层、钉扎层以及盖帽层的膜面为大小相同的多边形或椭圆形，依次堆叠在长条状的自旋流生成层的中部，使得自旋流生成层至少有两个相对的凸出端，分别为随机数发生器的第一电极和第二电极，盖帽层为随机数发生器的第三电极。

3.根据权利要求1所述的多态真随机数发生器，其特征在于：所述自旋流生成层的材料为Ta、Pt、W、Bi₂Se₃或Sb₂Te₃；磁性材料层的材料为CoFeB或Co；绝缘层的材料为MgO或AlO_x；盖帽层的材料为Ta或钛Ti。

4.根据权利要求2所述的多态真随机数发生器，其特征在于：自旋流生成层的材料为Ta、Pt、W、Bi₂Se₃或Sb₂Te₃；第一铁磁层的材料为CoFeB；第二铁磁层的材料为CoFeB；非磁性层的材料为MgO、Al₂O₃或Cu；盖帽层的材料为Ta或钛Ti。

5.根据权利要求1所述的多态真随机数发生器，其特征在于：所述膜层重叠排列结构还包括基于热效应的结构；所述基于热效应的结构包括基于热效应的直接读取电阻结构和基于热效应的利用MTJ或者自旋阀读取电阻的结构。

6.根据权利要求5所述的多态真随机数发生器，其特征在于：所述基于热效应的直接读取电阻结构的易磁化方向是任意的，从下到上依次是金属层、磁性材料层、绝缘层、盖帽层，所述金属层为HallBar结构，其膜面呈十字形状；磁性材料层、绝缘层以及盖帽层的膜面为大小相同的多边形或椭圆形，并且依次重叠于金属层十字形状的交叉部分之上，随机数发生器具有第一电极、第二电极、第三电极和第四电极四个电极端口，用于通电流或者测电压；金属层的材料为Cu、Al、Au、Pt或Ta；磁性材料层的材料为CoFeB或Co；绝缘层的材料为MgO或AlO_x；盖帽层的材料为Ta或钛Ti。

7.根据权利要求5所述的多态真随机数发生器，其特征在于：所述基于热效应的利用MTJ或者自旋阀读取电阻的结构从下到上依次是金属层、第一铁磁层、非磁性层、第二铁磁层、钉扎层、盖帽层。

Images