CN115469830A - 真随机数发生器及真随机数生成方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种真随机数发生器，其形成为上电极和下电极之间的多层结构，所述多层结构自上向下包括：钉扎层，其形成在所述多层结构的第一层；固定磁性层，其形成在所述钉扎层下方；隧穿势垒层，其形成在所述固定磁性层下方；自由磁性层，其形成在所述隧穿势垒层下方，其磁矩方向为信息的载体；固定磁性层和自由磁性层具有单磁畴或多磁畴。本发明还公开了一种利用所述真随机数发生器的真随机数生成方法。本发明基于电压控制磁各向异性(VCMA)效应实现真随机发生器，所得到的随机数具有随机质量高，能耗低，速度快，集成化简单，与互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺可兼容，不需要施加外磁场，操作过程简单稳定等特点。

Description

真随机数发生器及真随机数生成方法

技术领域

本发明涉及计算机领域，特别是涉及一种利用磁各向异性的真随机数发生器。以及，一种利用所述真随机数发生器的真随机数生成方法。

背景技术

随机数发生器被广泛用于生成各种应用的随机值。由于希望能够以安全的方式进行通信，计算机有一些内部系统来生成加密密钥。这些加密密钥通常是随机的“0”和“1”数字，由一个“随机数字发生器”(RNG)生成。随机数字发生器生成“0”和“1”数字的随机性期望被设计成完全不可预测的，包括对那些知道随机数字发生器如何设计的人。一个“真随机数发生器”(TRNG)使用一个非决定性的来源来产生随机性。

首次提出在磁性隧道结(MTJ)中使用电压控制磁各向异性(VCMA)来实现真随机发生器。磁各向异性是指物质的磁性随方向而变的现象。主要表现为弱磁体的磁化率及铁磁体的磁化曲线随磁化方向而变。铁磁体的磁各向异性尤为突出，是铁磁体的基本磁性之一，表示饱和(或自发)磁化在不同晶体方向时自由能密度不同。磁各向异性来源于磁晶体的各向异性。VCMA是指通过电压来调控物质的磁性随方向而变的现象。利用VCMA实现磁化翻转作为第三代新型磁性存储器被证明拥有很大的应用前景。

真随机数发生器可以通过利用一种预计是随机的物理现象，并将结果转化为随机数，如热噪声、大气噪声或核衰变。然而，这些方法对于统计学和密码学的应用来说太慢了。虽然，还可以依赖于特定系统的人类用户的行为。例如，一些与安全有关的计算机软件要求用户进行一系列冗长的鼠标动作或键盘输入，以创造出生成随机密钥或初始化伪随机数生成器所需的足够熵。然而，人类主体在生成随机序列时有一定程度的非随机性，这使得这些方法不能成为真随机数生成器。现如今大多数真随机数发生器的设备都很昂贵，需要高功率，生成随机数的速度很慢，而且很容易被黑客攻击。

在现有技术中，虽然出线了多种真随机数发生器，但它们都存在着各种技术缺陷有待解决。

1、专利号：US9087593B2，通过利用通过磁隧道结的交流电流来生成随机数的装置和方法。随机“0”和“1”位的速度和概率可由交流电流的频率和振幅控制。增加交流电流的直流偏压可以控制获得“0”或“1”位的概率。该解决方案通过交流电控制增加集成难度，更不要说还要加上直流偏压，不利于集成适用性有限。

2、专利号：WO2014062705A1，说明了一种利用STT-MTJ熵控制器控制系统，该控制器通过监测基于MTJ的RNG的健康状况来决定是否继续生成随机数。如果随机数生成器的健康状况高于阈值，STT-MTJ熵控制器就会关闭基于MTJ的随机数生成器。如果随机数生成器的健康状况低于阈值，熵控制器允许基于MTJ的随机数生成器根据指定的算法生成随机数，其输出经过后处理并由一个具有加密质量的确定性随机位生成器使用，为请求的芯片组生成安全密钥。大多数可用于熵控制的物理设备都很昂贵，需要高功率。该解决方案生产成本高，并且产生数据的速度很慢。

3、专利号：US10365894B2，自由层和固定层面外磁化的磁隧道结MTJ，并施加接近MTJ翻转阈值的磁化场H_offset；通过改变注入随机电流大小以形成STT和H_offset以及热激发相互竞争以达到随机的平行或反平行状态。形成用于根据MTJ装置的电阻状态生成随机数的逻辑。该解决方案在无法定量确定热激发大小的情况下，要完美调节STT的电流大小，H_offset大小使产生50％概率的平行或反平行的状态是几乎不可能的。随机概率受温度影响是巨大的，需要外磁场使得集成难度加大，难于实施，适用范围受到限制，不易推广使用。

4、专利号：US10078496B2，利用一个势垒能量为20k_BT的MTJ装置连接一个偏置电路，还有脉冲高度鉴别器和时间-振幅转换器，通过电流或外磁场或者热波动产生随机翻转以生成随机比特流。再通过数字信号处理产生随机数。该解决方案的势垒需要准确给定，但是一旦装置被造出来也只能适用于给定的温度，对于常规使用是不可能的，适用范围受到限制，不易推广使用。

5、专利号：US9110746B2，操作的STT电流通过MTJ，使自由磁性层的第一磁化方向切换到第二磁化方向，磁化方向的切换导致MTJ的电阻发生变化，并定期对MTJ的电阻进行采样以生成随机数的位值。该解决方案热波动影响很大以及STT电流的选取很难，速度也比较慢。

6、专利号：US9164729B2，一种利用STT-MTJ从具有状态A和状态B的物理熵源生成随机二进制序列的方法和装置，通过检测物理熵源是否处于状态A或状态B，尝试以概率方式将物理熵源的状态转移到相反的状态，并根据检测到的状态和尝试转移前物理熵源的状态产生四个输出之一。输出被放置在第一和第二队列中，并从每个队列中成对提取。根据从每个队列中提取的序列，输出随机二进制比特。大多数可用于熵控制的物理设备都很昂贵，需要高功率。该解决方案生产成本高，并且产生数据的速度很慢。

7、专利号：US10534579B2，系统包括一个钉扎层；一个位于钉扎层上方的金属层；一个位于金属层上方的自由层；一个加热装置，用于加热自由层以诱导自由层中的超顺磁热不稳定性，由此自由层的磁化在其加热时在不同的可检测磁状态之间随机切换；以及一个磁阻检测电路，用于检测自由层的瞬时磁状态。该解决方案需要一个加热装置，使得集成困难，不利于集成。

8、专利号：US20100174766A1，三层铁磁和两层势垒组成的，自旋极化电流是通过流经与自由层和固定层都垂直的自旋极化材料的脉冲电流产生的。自旋极化电流被注入到自由层中，而随机逻辑位值是由脉冲电流持续时间的变化或热特性的变化产生的。该解决方案无法保证撤去电流后两状态的概率一样，因此该解决方案无法保证产生真随机数。

9、专利号：CN108762722A，一种基于正交磁性隧道结的真随机数发生器，呈多层磁性隧道结结构，包括自下至上呈多层塔状结构布置的电极层、磁性层、隧穿层；磁性层为铁磁材料，隧穿层为金属氧化物。位于上部的二层磁性层均具有面内的单轴的磁各向异性，位于下部的一层磁性层具有垂直于膜面方向的单轴磁各向异性，在写阶段，写电流施加在该真随机数发生器上，磁化方向变为垂直于膜面，处于暂稳态；在读阶段写电流停止，在各向异性场和退磁场的共同作用下，磁性层的磁化方向回到其各向异性轴的方向，热扰动情况下磁化方向即随机偏向任意一边，具体偏向以向各磁性层和隧穿层组成的磁性隧道结中施加读电流得到，以此产生真随机数。和专利US20100174766A1的思路基本一样。该解决方案自由层在撤去电流后是否两状态的概率无法保证一样，该解决方案无法保证产生真随机数。

10、专利号：CN109165007A，利用自旋霍尔效应将铁磁层的磁化强度拉到面内，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。第一种Hall bar的形式是利用反常霍尔电压测量磁化状态。第二种MTJ形式是利用磁阻测量磁化状态。申请人认为SOT是需要外磁场的，使得集成困难，不利于集成。

11、专利号：CN109521996B和专利CN109165007A的主要思路基本一样差别仅在于多定义了电极的作用，该方案具有和CN109165007A相同的缺陷有待解决。

12、专利号：US8351603B2，通过注入电流来确定自旋注入现象的发生概率。在采用自旋注入磁化反转的随机数生成装置中，原理上可以利用该物理特性来生成真正的随机数。若要提供1/2的翻转几率，注入临界电流就可以。然而，在饱和磁化强度较低的材料的情况下，饱和磁化强度随着温度的变化通常也趋于较大。结果，自旋注入电流随温度的变化容易较大。因此，如果自旋注入电流根据温度而变化很大，则难以将反转概率设置为1/2。利用MTJ作为随机数和存储及并且提出一种电路连接温度控制器实现反转概率在1/2。该方案温度控制器能耗过大，不利于提高集成度。

13、专利号：WO2015047328A1，利用一个偏置电压改变一个自由层和固定层非共线的势垒能来形成正态分布。该解决方案通过形状各向异性制作出非共线的自由层和固定层，难度极大。

发明内容

在发明内容部分中引入了一系列简化形式的概念,该简化形式的概念均为本领域现有技术简化，这将在具体实施方式部分中进一步详细说明。本发明的发明内容部分并不意味着要试图限定出所要求保护的技术方案的关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。

本发明要解决的技术问题是提供一种相对现有技术能耗更低，响应速度更快，成本更低，不受外界环境(如温度、噪声)影响，易于集成(例如和CMOS兼容)，不需要外磁场即能产生真随机数的真随机数发生器。

以及，一种利用所述真随机数发生器生产真随机数的方法。

为解决上述技术问题，本发明提供的真随机数发生器，其形成为上电极和下电极之间的多层结构，所述多层结构自上向下包括：

真随机数发生器，其形成为上电极和下电极之间的多层结构所述多层结构自上向下包括：

钉扎层，其形成在所述多层结构的第一层；

固定磁性层，其形成在所述钉扎层下方；

隧穿势垒层，其形成在所述固定磁性层下方；

自由磁性层，其形成在所述隧穿势垒层下方，其磁矩方向为信息的载体；

其中，固定磁性层和自由磁性层具有单磁畴或多磁畴。

可选择的，所述的真随机数发生器，所述钉扎层、固定磁性层、隧穿势垒层和自由磁性层能形成面内方向磁化或面外方向磁化。

可选择的，所述的真随机数发生器，还包括：

磁场产生装置，其用于向自由磁性层施加磁场。

可选择的，所述的真随机数发生器，所述磁场产生装置是所述多层结构外部的磁场产生件；

或，所述磁场产生装置是形成在在所述多层结构中任意位置的磁场产生层。

可选择的，所述的真随机数发生器，所述钉扎层、固定磁性层、隧穿势垒层和自由磁性层水平截面形成为椭圆形。

可选择的，所述的真随机数发生器，所述固定磁性层和自由磁性层由铁磁、反铁磁或亚铁磁材料制成，所述隧穿势垒层由金属氧化物制成。

可选择的，所述的真随机数发生器，所述椭圆形长轴a和短轴b的比值范围为1-5。

可选择的，所述的真随机数发生器，所述外部的磁场产生件是磁铁或奥斯特场；

所述磁场产生层是偏置铁磁层、交换偏置层、形状梯度层、斯格明子层或磁性掩膜层。

可选择的，所述的真随机数发生器，所述磁性掩膜层、交换偏置层、形状梯度层、斯格明子层和磁性掩膜层由铁磁、反铁磁或亚铁磁材料制成。

可选择的，所述的真随机数发生器，所述磁场产生层位于所述多层结构的任意一层。

可选择的，所述的真随机数发生器，所述磁场产生层是偏置铁磁层、交换偏置层、形状梯度层或斯格明子层时，其形成为与所述钉扎层、固定磁性层、隧穿势垒层和自由磁性层水平截面为椭圆形；所述磁场产生层是磁性掩膜层时，所述钉扎层、固定磁性层、隧穿势垒层和自由磁性层水平截面形成为椭圆形,所述磁场产生层的水平截面形成为矩形；

且，c＞a,d＞b；a为所述椭圆形长轴长，b为所述椭圆形短轴长，c为所述矩形的长，d为所述矩形的宽。

为解决上述技术问题，本发明提供一种利用上述任意一项所述真随机数发生器的真随机数生成方法，包括以下步骤：

S1)在上电极和下电极之间施加脉冲电压；

S2)量测电阻；

S3)产生一个真随机数。

可选择的，所述的真随机数生成方法，实施步骤S2)时，停止施加脉冲电压后量测电阻。

可选择的，所述的真随机数生成方法通过调节脉冲电压或调节脉冲宽度调控自由磁性层的磁各向异性，使磁矩方向为信息的载体。

可选择的，所述的真随机数生成方法通过调节脉冲电压调控磁各向异性时，脉冲宽度要远大于进动周期；

调节脉冲宽度调控磁各向异性时，脉冲宽度要大于进动周期。

可选择的，所述的真随机数生成方法调节脉冲宽度调控磁各向异性时，脉冲宽度范围为大于等于1纳秒(ns)。

可选择的，所述的真随机数生成方法调节脉冲宽度调控磁各向异性时，脉冲宽度范围为大于等于1纳秒(ns)小于等于1毫秒(ms)。

可选择的，所述的真随机数生成方法施加第一方向的脉冲电压时，自由磁性层的磁矩能指向面内方向；

施加第二方向的脉冲电压时，自由磁性层的磁矩能指向面外方向；

其中，第一方向和第二方向是相反的。

本发明的工作原理如下：

磁性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，磁性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；当在磁性材料层上沉积一层金属氧化物后，磁性材料层和金属氧化物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，使磁性材料层的磁矩方向保持在垂直膜面方向。

本发明设定自由磁性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自由磁性材料层磁矩的随机性，并通过调控磁各向异性的写脉冲电压实现；在利用电压调控具有垂直磁各向异性的磁性自由层发生磁化翻转的随机数发生器中，当写电压足够大时，磁性自由层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，此时磁性自由层中的磁能最高，由于磁性自由层与势垒层间界面效应导致的各向异性能所决定，磁性自由层中的磁能将自发回到磁场能最低的状态；垂直层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％，具体的偏向可在该磁性隧道结中施加读电流而读取得到，自由磁性层的磁化方向的偏向与固定磁性层相同时，磁性隧道结整体对外呈现低阻态；相反时，磁性隧道结整体对外呈现高阻态，这是本发明真随机数发生器实现真随机的原理，参考图1和图2所示。还可以缩短脉冲宽度以调节翻转概率。

本发明开创性的提出在MTJ中使用电压控制磁各向异性(VCMA)来实现真随机发生器。磁各向异性是指物质的磁性随方向而变的现象。主要表现为弱磁体的磁化率及铁磁体的磁化曲线随磁化方向而变。铁磁体的磁各向异性尤为突出，是铁磁体的基本磁性之一，表示饱和(或自发)磁化在不同晶体方向时自由能密度不同。磁各向异性来源于磁晶体的各向异性。VCMA是指通过电压来调控物质的磁性随方向而变的现象。利用VCMA实现磁化翻转作为第三代新型磁性存储器被证明拥有很大的应用前景。VCMA的磁化翻转写入是施加一个纳秒级的电压短脉冲，来降低自由层和固定层之间的反平行态与平行态的势垒高度。在实现低写入错误的翻转时，这个脉冲宽度(Pulse-Width)取决于进动周期，必须为进动周期的一半。因为翻转概率随脉冲宽度是阻尼振荡的关系，随着脉冲宽度逐渐增加，翻转概率会停止震荡并收敛于50％。利用这个性质我们可以做出真随机数发生器。还可以缩短脉冲宽度以调节“0”和“1”数字翻转概率。

本发明基于VCMA效应实现真随机发生器所得到的随机数具有随机质量高、能耗低，速度快，集成化简单，与互补金属氧化物半导体(CMOS)可兼容，不需要施加外磁场，操作过程简单稳定等特点；随机数的质量不受温度的影响，当温度在2-800开尔文(K)之间变化、磁性隧道结的尺寸在2-1000纳米(nm)之间变化时，均能获得高质量的随机数。能耗小于10飞焦/比特(fJ/bit)，产生随机数的时间可以小于50纳秒(ns)，在加工中可以适应CMOS后道工艺400℃的退火过程。外磁场由面内偏置层或磁性掩膜来提供，免于施加外磁场。

附图说明

本发明附图旨在示出根据本发明的特定示例性实施例中所使用的方法、结构和/或材料的一般特性，对说明书中的描述进行补充。然而，本发明附图是未按比例绘制的示意图，因而可能未能够准确反映任何所给出的实施例的精确结构或性能特点，本发明附图不应当被解释为限定或限制由根据本发明的示例性实施例所涵盖的数值或属性的范围。下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：

图1是本发明自由层的磁化方向对应的磁能状态以及随机数产生过程的示意图，其显示施加电压可以消除势垒，撤去电压的瞬间，磁化方向在朝上和朝下之间随机选择。

图2是翻转概率随脉冲宽度的变化曲线图示意图，其显示随着施加的电压脉冲宽度的提高，翻转概率收敛于50％。

图3是本发明第一实施例结构示意图一，其显示利用热激发效应产生磁化方向的翻转，所有层磁化方向是面外。

图4是本发明第一实施例结构示意图二，其显示利用热激发效应产生磁化方向的翻转，所有层磁化方向是面内。

图5是本发明第一实施例结构示意图三，其显示利用VCMA效应产生磁化方向的翻转，钉扎层和固定磁性层的磁化方向是面外，自由磁性层初态磁化方向是面内，自由磁性层终态磁化方向是面外。

图6是本发明第二实施例结构示意图四，其显示利用VCMA效应产生磁化方向的翻转，钉扎层和固定磁性层的磁化方向是面内，自由磁性层初态磁化方向是面外，自由磁性层终态磁化方向是面内。

图7是本发明俯视结构示意图。

图8是本发明第二实施例结构示意图一，其显示器件外部的磁场产生装置提供面内方向磁场，所述多层结构所有层的磁化方向是面外。

图9是本发明第二实施例结构示意图二，其显示器件外部的磁场产生装置提供面内方向磁场，所述多层结构所有层的磁化方向是面内。

图10是本发明第二实施例结构示意图三，其显示器件外部的磁场产生装置提供面外方向磁场，钉扎层和固定磁性层的磁化方向是面外，自由磁性层初态磁化方向是面内，自由磁性层终态磁化方向是面外。

图11是本发明第二实施例结构示意图四，其显示器件外部的磁场产生装置提供面外内方向磁场，钉扎层和固定磁性层的磁化方向是面内，自由磁性层初态磁化方向是面外，自由磁性层终态磁化方向是面内。

图12是本发明第三实施例结构示意图一，其显示形成在所述多层结构的第一层的磁性掩膜层作为器件内磁场产生装置。

图13是本发明第三实施例结构示意图一，其显示形成在所述多层结构的第一层的磁性掩膜层作为器件内磁场产生装置的俯视角度。

具体实施方式

以下通过特定的具体实施例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所公开的内容充分地了解本发明的其他优点与技术效果。本发明还可以通过不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点加以应用，在没有背离发明总的设计思路下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。本发明下述示例性实施例可以多种不同的形式来实施，并且不应当被解释为只限于这里所阐述的具体实施例。应当理解的是，提供这些实施例是为了使得本发明的公开彻底且完整，并且将这些示例性具体实施例的技术方案充分传达给本领域技术人员。应当理解的是，当元件被称作“连接”或“结合”到另一元件时，该元件可以直接连接或结合到另一元件，或者可以存在中间元件。不同的是，当元件被称作“直接连接”或“直接结合”到另一元件时，不存在中间元件。在全部附图中，相同的附图标记始终表示相同的元件。

示例性的，下述各实施例所述的脉冲形状有矩形脉冲，方波脉冲，尖脉冲(正尖脉冲和负尖脉冲)，锯齿脉冲，阶梯脉冲，间歇正弦脉冲等等。

第一实施例；

本发明提供一种真随机数发生器，其形成为上电极和下电极之间的多层结构，所述多层结构可以选择性的形成多层塔状结构，其自上向下包括：

钉扎层，其形成在所述多层结构的第一层；

固定磁性层，其形成在所述钉扎层下方；

隧穿势垒层，其形成在所述固定磁性层下方；

自由磁性层，其形成在所述隧穿势垒层下方，其磁矩方向为信息的载体；

其中，固定磁性层和自由磁性层具有单磁畴或多磁畴。

上述第一实施例，所述钉扎层、固定磁性层和自由磁性层由铁磁、反铁磁或亚铁磁材料制成，所述隧穿势垒层由金属氧化物制成。参考图7所示，优选的各层水平截面形成为椭圆形，所述椭圆形长轴a和短轴b的比值范围为1-5。

上述第一实施例所提供的真随机数发生器能提供以下真随机数产生方式；

1)参考图3所示，两个电极间施加脉冲电压，利用热激发效应产生磁化方向的翻转，所有层磁化方向是面外。

2)参考图4所示，两个电极间施加脉冲电压，利用热激发效应产生磁化方向的翻转，所有层磁化方向是面内。

3)参考图5所示，两个电极间施加脉冲电压，利用VCMA效应产生磁化方向的翻转，钉扎层和固定磁性层的磁化方向是面外，自由磁性层初态磁化方向是面内，自由磁性层终态磁化方向是面外。

4)参考图6所示，两个电极间施加脉冲电压，利用VCMA效应产生磁化方向的翻转，钉扎层和固定磁性层的磁化方向是面外，自由磁性层初态磁化方向是面内，自由磁性层终态磁化方向是面外。。

第二实施例；

本发明提供一种真随机数发生器，其形成为上电极和下电极之间的多层结构，所述多层结构可以选择性的形成多层塔状结构，其自上向下包括：

钉扎层，其形成在所述多层结构的第一层；

固定磁性层，其形成在所述钉扎层下方；

隧穿势垒层，其形成在所述固定磁性层下方；

自由磁性层，其形成在所述隧穿势垒层下方，其磁矩方向为信息的载体；

磁场产生装置，其用于向钉扎层、固定磁性层、隧穿势垒层和自由磁性层施加磁场；本实施例所述磁场产生装置采用所述多层结构外部的磁场产生件；例如磁铁或奥斯特场(电流产生的磁场)等；

其中，固定磁性层和自由磁性层具有单磁畴或多磁畴。

上述第二实施例中，所述钉扎层、固定磁性层和自由磁性层由铁磁材料、反铁磁或亚铁磁制成，所述隧穿势垒层由金属氧化物制成。参考图7所示，优选的各层水平截面形成为椭圆形，所述椭圆形长轴a和短轴b的比值范围为1-5。

上述第二实施例所提供的真随机数发生器能提供以下真随机数产生方式；

1)参考图8所示，两个电极间施加脉冲电压，器件外部的磁场产生装置提供面内方向磁场，所述多层结构所有层的磁化方向是面外。

2)参考图9所示，两个电极间施加脉冲电压，器件外部的磁场产生装置提供面外方向磁场，所述多层结构所有层的磁化方向是面内。

3)参考图10所示，两个电极间施加脉冲电压，器件外部的磁场产生装置提供面外方向磁场，钉扎层和固定磁性层的磁化方向是面外，自由磁性层初态磁化方向是面内，自由磁性层终态磁化方向是面外。

4)参考图11所示，两个电极间施加脉冲电压，器件外部的磁场产生装置提供面内方向磁场，钉扎层和固定磁性层的磁化方向是面内，自由磁性层初态磁化方向是面外，自由磁性层终态磁化方向是面内。

如发明内容部分末尾所分析原理，上述第二实施例的方案能确保磁场翻转会停止震荡并收敛于50％，生产真随机数。

第三实施例；

本发明提供一种真随机数发生器，其形成为上电极和下电极之间的多层结构，所述多层结构可以选择性的形成多层塔状结构，其自上向下包括：

磁场产生装置，其是形成在所述多层结构中任意位置的磁场产生层，例如偏置铁磁层，交换偏置层，形状梯度层，斯格明子层或磁性掩膜层等；

钉扎层，其形成在偏置铁磁层下方；

固定磁性层，其形成在所述钉扎层下方；

隧穿势垒层，其形成在所述固定磁性层下方；

自由磁性层，其形成在所述隧穿势垒层下方，其磁矩方向为信息的载体；

所述钉扎层、固定磁性层、隧穿势垒层和自由磁性层水平截面形成为椭圆形。

当所述磁场产生层是偏置铁磁层、交换偏置层、形状梯度层或斯格明子层时，其形成为与所述钉扎层、固定磁性层、隧穿势垒层和自由磁性层水平截面为椭圆形。当所述磁场产生层是磁性掩膜层时，所述磁性掩膜层的水平截面形成为矩形；

参考图12和图13所示，示例性的，所述磁场产生层形成在所述多层结构的第一层。且，c＞a,d＞b；a为所述椭圆形长轴长，b为所述椭圆形短轴长，c为所述矩形的长，d为所述矩形的宽，优先的，a/b的范围为1-5。

本实施例，磁性掩膜层、固定磁性层和自由磁性层具有单磁畴或多磁畴，磁性掩膜层形成面内方向磁化，钉扎层、固定磁性层、隧穿势垒层和自由磁性层形成面外磁化。所述钉扎层、固定磁性层和自由磁性层以及作为器件内的磁场产生装置(偏置铁磁层、交换偏置层、形状梯度层、斯格明子层或磁性掩膜层等)由铁磁材料、反铁磁或亚铁磁制成，所述隧穿势垒层由金属氧化物制成。

需要进一步说明的是，第一实施例～第三实施例中所述磁性材料可以使用由铁(Fe)、镍(Ni)、钴(Co)中的一种或两种以上组成的现有任意一种合金材料。此外，磁性材料可以包含诸如铌(Nb)、锆(Zr)、钇(Y)的过渡金属元素、诸如硼(B)、碳(C)、氮(N)、氧(O)的轻元素、诸如钕(Nd)、铕(Eu)、钆(Gd)、铽(Tb)、镝(Dy)、钬(Ho)的稀土元素以及含有锰(Mn)、铝(Al)、硅(Si)、磷(P)、镓(Ga)、锗(Ge)、砷(As)、铟(In)、锡(Sn)、锑(Sb)、铬(Cr)等形成的现有任意一种赫斯勒合金或其他合金。所述金属氧化物制成可以使用诸如氧化铝(AlO_x)、氧化镁(MgO)、氧化硅(SiO_x)、氧化铪(HfO_x)、氧化镁铝(MgAlO)等材料。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之下”、“在……之上”、“下面的”、“在……上方”、“上面的”等，用来描述如在图所示的一个元件或特征与其他元件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描绘的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他元件或特征下方”或“在其他元件或特征之下”的元件之后将被定位为“在其他元件或特征上方”或“在其他元件或特征之上”。因而，示例性术语“在……下方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述符做出相应解释。

第四实施例；

本发明提供一种利用上述第一实施例～第三实施例所提供的真随机数发生器的真随机数生成方法，包括以下步骤：

S1)在上电极和下电极之间施加脉冲电压；

S2)量测电阻；

S3)产生一个真随机数。

可选择的，上述第四实施例能通过调节写脉冲电压或调节脉冲宽度调控偏置铁磁层、磁性掩膜层、固定磁性层和自由磁性层的磁各向异性，使磁矩方向为信息的载体。

其中，通过调节写脉冲电压调控磁各向异性使磁矩方向为信息的载体时，脉冲宽度要远大于进动周期；

调节脉冲宽度调控磁各向异性使磁矩方向为信息的载体时，脉冲宽度要大于进动周期。

进一步的改进调节脉冲宽度调控磁各向异性时，脉冲宽度范围为大于等于1纳秒(ns)。

优选的，调节脉冲宽度调控磁各向异性时，脉冲宽度范围为大于等于1纳秒(ns)小于等于1毫秒(ms)。

可选择的，施加第一方向的写脉冲电压时，自由磁性层的磁矩能指向面内方向；

施加第二方向的写脉冲电压时，自由磁性层的磁矩能指向面外方向；

其中，第一方向和第二方向是相反的，例如第一方向为+方向，第二方向为-方向。

第五实施例；

本发明提供一种利用上述第一实施例～第三实施例所提供的真随机数发生器的真随机数生成方法，包括以下步骤：

S1)在上电极和下电极之间施加脉冲电压；

S2)停止施加脉冲电压后量测电阻；

S3)产生一个真随机数。

可选择的，上述第五实施例能通过调节写脉冲电压或调节脉冲宽度调控偏置铁磁层、磁性掩膜层、固定磁性层和自由磁性层的磁各向异性，使磁矩方向为信息的载体。

其中，通过调节写脉冲电压调控磁各向异性使磁矩方向为信息的载体时，脉冲宽度要远大于进动周期；

调节脉冲宽度调控磁各向异性使磁矩方向为信息的载体时，脉冲宽度要大于进动周期。

进一步的改进调节脉冲宽度调控磁各向异性时，脉冲宽度范围为大于等于1纳秒(ns)。

优选的，调节脉冲宽度调控磁各向异性时，脉冲宽度范围为大于等于1纳秒(ns)小于等于1毫秒(ms)。

可选择的，施加第一方向的写脉冲电压时，自由磁性层的磁矩能指向面内方向；

施加第二方向的写脉冲电压时，自由磁性层的磁矩能指向面外方向；

其中，第一方向和第二方向是相反的，例如第一方向为+方向，第二方向为-方向。

除非另有定义，否则这里所使用的全部术语(包括技术术语和科学术语)都具有与本发明所属领域的普通技术人员通常理解的意思相同的意思。还将理解的是，除非这里明确定义，否则诸如在通用字典中定义的术语这类术语应当被解释为具有与它们在相关领域语境中的意思相一致的意思，而不以理想的或过于正式的含义加以解释。

以上通过具体实施方式和实施例对本发明进行了详细的说明，但这些并非构成对本发明的限制。在不脱离本发明原理的情况下，本领域的技术人员还可做出许多变形和改进，这些也应视为本发明的保护范围。

Claims (17)

1.一种真随机数发生器，其形成为上电极和下电极之间的多层结构，其特征在于，所述多层结构自上向下包括：

钉扎层，其形成在所述多层结构的第一层；

固定磁性层，其形成在所述钉扎层下方；

隧穿势垒层，其形成在所述固定磁性层下方；

自由磁性层，其形成在所述隧穿势垒层下方，其磁矩方向为信息的载体；

其中，固定磁性层和自由磁性层具有单磁畴或多磁畴。

2.如权利要求1所述的真随机数发生器，其特征在于：所述钉扎层、固定磁性层、隧穿势垒层和自由磁性层能形成面内方向磁化或面外方向磁化。

3.如权利要求1所述的真随机数发生器，其特征在于，还包括：

磁场产生装置，其用于向自由磁性层施加磁场。

4.如权利要求3所述的真随机数发生器，其特征在于：所述磁场产生装置是所述多层结构外部的磁场产生件；

或，所述磁场产生装置是形成在在所述多层结构中任意位置的磁场产生层。

5.如权利要求1-4任意一项所述的真随机数发生器，其特征在于：所述钉扎层、固定磁性层、隧穿势垒层和自由磁性层水平截面形成为椭圆形。

6.如权利要1-4任意一项所述的真随机数发生器，其特征在于：所述固定磁性层和自由磁性层由铁磁、反铁磁或亚铁磁材料制成，所述隧穿势垒层由金属氧化物制成。

7.如权利要求5所述的真随机数发生器，其特征在于：所述椭圆形长轴a和短轴b的比值范围为1-5。

8.如权利要求4所述的真随机数发生器，其特征在于：

所述外部的磁场产生件是磁铁或奥斯特场；

所述磁场产生层是偏置铁磁层、交换偏置层、形状梯度层、斯格明子层或磁性掩膜层。

9.如权利要求8所述的真随机数发生器，其特征在于：所述偏置铁磁层、交换偏置层、形状梯度层、斯格明子层和磁性掩膜层由铁磁、反铁磁或亚铁磁材料制成。

10.如权利要求8所述的真随机数发生器，其特征在于：所述磁场产生层位于所述多层结构的任意一层。

11.如权利要求8所述的真随机数发生器，其特征在于：

所述磁场产生层是偏置铁磁层、交换偏置层、形状梯度层或斯格明子层时，其形成为与所述钉扎层、固定磁性层、隧穿势垒层和自由磁性层水平截面为椭圆形,；所述磁场产生层是磁性掩膜层时，所述钉扎层、固定磁性层、隧穿势垒层和自由磁性层水平截面形成为椭圆形,所述磁场产生层的水平截面形成为矩形；

且，c＞a,d＞b；

a为所述椭圆形长轴长，b为所述椭圆形短轴长，c为所述矩形的长，d为所述矩形的宽。

12.一种权利要求1-4或7-11任意一项所述真随机数发生器的真随机数生成方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1)在上电极和下电极之间施加脉冲电压；

S2)量测电阻；

S3)产生一个真随机数。

13.如权利要求12所述的真随机数生成方法，其特征在于：实施步骤S2)时，停止施加脉冲电压后量测电阻。

14.如权利要求12所述的真随机数生成方法，其特征在于：通过调节脉冲电压或调节脉冲宽度调控自由磁性层的磁各向异性，使磁矩方向为信息的载体。

15.如权利要求14所述的真随机数生成方法，其特征在于：

通过调节脉冲电压调控磁各向异性时，脉冲宽度要远大于进动周期；

调节脉冲宽度调控磁各向异性时，脉冲宽度要大于进动周期。

16.如权利要求14所述的真随机数生成方法，其特征在于：

调节脉冲宽度调控磁各向异性时，脉冲宽度范围为大于等于1纳秒(ns)；

或，调节脉冲宽度调控磁各向异性时，脉冲宽度范围为大于等于1纳秒(ns)小于等于1毫秒(ms)。

17.如权利要求12所述的真随机数生成方法，其特征在于：

施加第一方向的脉冲电压时，自由磁性层的磁矩能指向面内方向；

施加第二方向的脉冲电压时，自由磁性层的磁矩能指向面外方向；

其中，第一方向和第二方向是相反的。

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