DE102023126168A1 - Integrierter Quanten-Zufallszahlengenerator - Google Patents

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Julia Kölbel
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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen integrierten Quanten-Zufallszahlengenerator (engl. „integrated Quantum Random Number Generator, iQRNG“), insbesondere einen monolithisch in einem gemeinsamen Halbleitersubstrat im gleichen Materialsystem skalierbar und vollständig integriert aufgebauten photonischen QRNG bestehend aus einer Photonenquelle und einen unmittelbar an die Quelle gekoppelten Detektor für einzelne Photonen in einer besonders kompakten und angriffssicheren Ausführung auf einer für vielfältige Anwendungen offenen Technologieplattform zur Halbleiterstrukturierung.Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein integrierter Quanten-Zufallszahlengenerator, iQRNG, (200) umfassend eine Photonenquelle (120) und einen Einzelphotonendetektor (130), wobei die Photonenquelle (120) und der Einzelphotonendetektor (130) in vertikaler Richtung übereinander in einem gemeinsamen Substrat (110) aus einem Halbleitermaterial angeordnet sind. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung eine integrierte elektronische Schaltung (500), welche mindestens einen erfindungsgemäßen iQRNG (200) umfasst.

Description

  • Gegenstand der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen integrierten Quanten-Zufallszahlengenerator (engl. „integrated Quantum Random Number Generator, iQRNG“), insbesondere einen monolithisch in einem gemeinsamen Halbleitersubstrat im gleichen Materialsystem skalierbar und vollständig integriert aufgebauten photonischen QRNG bestehend aus einer Photonenquelle und einen unmittelbar an die Quelle gekoppelten Detektor für einzelne Photonen in einer besonders kompakten und angriffssicheren Ausführung auf einer für vielfältige Anwendungen offenen Technologieplattform zur Halbleiterstrukturierung.
  • Technologischer Hintergrund
  • In vielen Bereichen von Wissenschaft und Technik spielen zufällige Ereignisse und die Bestimmung von Wahrscheinlichkeiten eine besonders herausragende Rolle. Beispielsweise basieren Monte-Carlo-Simulationen und sichere Verschlüsselungsverfahren in hohem Maße auf der Bereitstellung von Zufallszahlen. Man unterscheidet dabei im Allgemeinen zwischen den sogenannten Pseudo-Zufallszahlen und echten Zufallszahlen. Während erstere mittels deterministischer Formeln durch Pseudo-Zufallszahlengeneratoren (engl. „Pseudo Random Number Generators, PRNGs“) erzeugt werden, also nicht absolut zufällig sind, basieren nichtdeterministische Zufallszahlengeneratoren zur Bereitstellung echter Zufallszahlen (engl. „True Random Number Generators, TRNGs“) im Allgemeinen auf real unvorhersehbaren Prozessen wie einem thermischen oder atmosphärischen Rauschen und nicht auf künstlich generierten Mustern deterministischer Algorithmen. Allerdings können auch die Ergebnisse von solchen auf äußeren Parametern basierenden nicht-deterministischen Zufallszahlengeneratoren abhängig vom zugrundeliegenden Zufallselement aufgrund von schwachen Korrelationen beispielsweise noch immer geringfügig zu höheren oder zu geraden Zahlen tendieren und somit zumindest eine teilweise Vorhersagbarkeit der so generierten Zufallszahlen ermöglichen.
  • Die sogenannten Quanten-Zufallszahlengeneratoren (engl. „Quantum Random Number Generators, QRNGs“) als spezielle Untergruppe der TRNGs hingegen basieren auf fundamentalen Quantenprozessen zur Zufallszahlenerzeugung und sind daher zumindest theoretisch nicht an andere die Statistik beeinflussende äußere Faktoren und Effekte gekoppelt. Quanten-Zufallsgeneratoren stellen somit die z. Z. beste verfügbare Quelle für echte Zufallszahlen dar. Aktuelle digitale QNRGs können dabei Entropieraten (d. h. eine Folge von Bitwerten mit maximaler Zufälligkeit bzw. Entropie) von bis zu einigen hundert Mbps liefern. Die erzeugten Zufallszahlen werden sowohl bei klassischen Verschlüsselungsverfahren als auch bei einer Vielzahl von Verfahren der Quanteninformatik und Quantenkryptografie zur Gewährleistung eines sicheren Schlüsselaustauschs benötigt (engl. „Secure/Quantum Key Distribution, SKD/QKD“). Zur Generierung sicherer Schlüssel in der Kryptographie sind daher nicht-manipulierbare und schnelle QRNGs unbedingt erforderlich.
  • Eine Vielzahl von QRNGs wird aufgrund von deren besonders einfacher Realisierbarkeit mit Hilfe zufälliger Eigenschaften von Photonen als photonische QRNGs realisiert. Ein einfaches Konzept für die Erzeugung von Zufallszahlen ist dabei das Verhalten eines Photons, dass an einen semitransparenten Strahlteiler unabhängig von anderen Photonen entweder reflektiert oder transmittiert wird. Ein anderer Ansatz ist die Nutzung der zufälligen Ankunftszeiten von Photonen auf einem Einzelphotonendetektor. Dieser auf einer intrinsischen, prinzipiell nicht deterministisch berechenbaren Photonenstatistik der Photonen einer zugehörigen Photonenquelle basierende Verteilungseffekt kann ebenfalls zur Bereitstellung echter Zufallszahlen genutzt werden. Die Ankunftszeiten von Photonen auf einem Einzelphotonendetektor weisen im Allgemeinen eine Exponential-Verteilung auf.
  • Typischerweise wird in einem Einzelphotonendetektor (engl. „Single Photon Detector, SPD“) zunächst durch ein einzelnes einfallendes Photon ein Detektorimpuls erzeugt, welcher in einem Zeit-zu-Digital-Wandler (engl. „Time-to-Digital Converter, TDC“) in eine mit einem Zeitstempel versehende digitale Repräsentation des Detektionsereignisses umgewandelt und entsprechend weiterverarbeitet werden kann. Als Photonen- bzw. Entropiequelle in QRNGs werden dabei zumeist stark auf das Einzelphotonenniveau abgeschwächte Laserdioden (engl. „Laser Diodes, LD“) oder einfache lichtemittierende Dioden (engl. „Light Emitting Diodes, LEDs“) genutzt, deren emittierte Photonen anschließend über einen oder mehrere besonders empfindliche Einzelphotonen-Lawinendioden (engl. „Single Photon Avalanche Diodes, SPADs“) als SPD zeitlich aufgelöst erfasst werden können. Solche zeitgleich nur einzelne oder nur einige wenige Photonen bereitstellende Photonenquellen werden im Rahmen dieser Anmeldung auch als Einzelphotonenquellen (engl. „Single Photon Source, SPS“) bezeichnet. Es muss sich dabei jedoch nicht um echte Einzelphotonenemitter, beispielsweise auf Basis eines einzelnen isolierten Zweiniveausystems, handeln.
  • Bei SPADs handelt es sich um eine Art Photodetektor ähnlich den Photodioden (engl. „Photo Diodes, PDs“) und Avalanche-Photodioden (engl. „Avalanche Photo Diodes, APDs“), jedoch mit einer demgegenüber deutlich erhöhten Sensitivität. Die SPADs können digital - auch innerhalb einer gemeinsamen integrierten Schaltung - ausgelesen und ausgewertet werden. Wird eine solche integrierte Detektorschaltung durch einzelne Photonen angeregt, so wird in dem sensorisch aktiven Bereich (Absorptionsgebiet) pro anregendem Photon primär jeweils nur ein Elektron-Loch-Paar generiert, wobei die angeregten Elektronen durch elektrische Felder zur Kathode und die angeregten Löcher zur Anode abgezogen werden. Dabei driften die Ladungsträger bei einer SPAD durch ein sogenanntes Lawinengebiet, innerhalb dessen durch eine verstärkte Stoßionisation eine Ladungslawine erzeugt wird. Es handelt sich somit um hochgradig sensitive Photonen-Empfänger-Elemente, welche bei Aktivierung eine hohe Ladungsmenge (ca. 105 - 106 Elektronen) mit hoher zeitlicher Auflösung bereitstellen können.
  • Eine SPAD wird typischerweise im Geiger-Modus oberhalb seiner Durchbruchspannung betrieben, wobei ein einzelnes Photon über die erzeugte Ladungslawine detektiert und anschließend als Einzelereignis registriert wird. Zur Verringerung der während der Registrierung auftretenden Totzeit kann unmittelbar nach dem Einsetzen der Lawinenausbildung eine aktive oder passive Unterdrückung bzw. Quenching der weiteren Ladungsträgerverstärkung erfolgen. Die integrierte Schaltung kann neben der SPAD auch ein sogenanntes Einzelphotonenzählwerk bzw. einen Einzelphotonenzähler (engl. „Single-Photon Counter, SPC“) umfassen, hierbei erfolgt im Allgemeinen anstatt einer direkten Ausgabe eines einzelnen Detektorimpulses eine unmittelbare statistische Auswertung der zeitlichen Verteilung der einzelnen detektierten Einzelphotonenereignisse.
  • Eine parallel zur Zufallszahlenerzeugung erfolgende statistische Auswertung kann beispielsweise zur weiteren Absicherung der Erzeugung gegenüber möglichen Angriffen auf den Prozess der Zufallszahlenerzeugung genutzt werden. Insbesondere bei aus Einzelkomponenten aufgebauten nicht-integrierten photonischen QRNGs bieten die erforderlichen Übertragungsstrecken innerhalb des Systems dazu vielfältige Angriffsmöglichkeiten. Daher werden solche Systeme zur Erhöhung der Sicherheit möglichst kompakt und isoliert von ihrer äußeren Umgebung realisiert. Neben der Vermeidung von potentiellen Angriffsszenarien ist ein weiterer Vorteil solcher kompakten QRNGs, dass die Zufallszahlenerzeugung eventuell von außerhalb des Systems beeinträchtigende natürliche Einflüsse ebenfalls weitestgehend minimiert werden können. Entsprechend kompakte, auf dem Photonenrauschen basierende QRNGs werden daher bisher üblicherweise als hybridisch integrierte Systeme bereitgestellt.
  • Aus der EP 3 529 694 B1 ist auch ein integrierter Quanten-Zufallszahlengenerator (engl. „integrated Quantum Random Number Generator, iQRNG“) mit einer SPS und einer oder mehreren SPDs bekannt, bei dem die SPS und der oder die SPDs vollständig in CMOS-Technologie integriert in einem einzigen Halbleitersubstrat derart angeordnet sind, dass sie unmittelbar nebeneinanderliegen (siehe 1 mit zugehöriger Figurenbeschreibung). Die SPS wird dabei durch einen zweckmäßig dotierten p-n-Übergang bereitgestellt, so dass sie einen zu detektierenden Photonenstrom erzeugt, wenn die Photonenquelle in geeigneter Weise in Vorwärts- oder Rückwärtsrichtung vorgespannt ist. Bei den SPDs soll es sich insbesondere um SPADs handeln, welche bevorzugt durch gemeinsame Herstellungsprozesse mit den SPSs erzeugt werden und die gleiche chemische Struktur aufweisen.
  • Die gemeinsame Integration bewirkt, dass der von der SPS erzeugte Photonenstrom durch optisches Übersprechen innerhalb ein und desselben Halbleitermaterials unmittelbar zu einer daneben angeordneten SPAD fließen kann und nicht wie bei anderen aus dem Stand der Technik bekannten hybridisch integrierten QRNGs zunächst einen eventuell leeren, die beiden Komponenten physikalisch voneinander trennenden Kopplungszwischenraum überwinden bzw. durchtunneln muss. Die integrierte „side-by-side“-Konfiguration macht den in der Druckschrift vorgestellten QRNG kompakter und strukturell weniger komplex als hybride QRNGs des gleichen funktionalen Typs. Darüber hinaus ist der Zufallszahlengenerator dank der Integration aller Komponenten deutlich robuster und immuner gegen externe Umwelteinflüsse sowie gegen Manipulationsversuche durch äußere Angreifer.
  • Allerdings besteht unter deutlich erhöhtem Aufwand hierbei prinzipiell auch weiterhin die Möglichkeit, während des laufenden Betriebs des QRNGs in den Erzeugungsprozess der Zufallszahlen störend, beeinflussend und/oder beobachtend einzugreifen. Da der in der Druckschrift offenbarte iQRNG im Wesentlichen eine planare Struktur aufweist, könnten einzelne Photonen nämlich durchaus von ober- oder unterhalb der Ebene des Substrats abgegriffen oder zusätzlich eingebracht werden.
  • Die horizontale Nebeneinanderanordnung der Strukturen ist zudem nicht ideal hinsichtlich der Effizienz und des benötigten Flächenverbrauchs. Die Effizienz wird dabei insbesondere durch den erforderlichen seitlichen Abstand zwischen der SPS und der SPAD und eine damit verbundene hohe Absorption der Photonen im Halbleitermaterial beschränkt. Die von der SPS emittierten Photonen werden ohne besondere Vorkehrungen zudem weitgehend ungerichtet in das die SPS umgebende Material ausgesendet, so dass auch dadurch nur ein Teil der erzeugten Photonen von einer zugehörigen SPAD detektiert werden kann. Zwar können mehrere SPADs um eine einzelne SPS herum angeordnet werden, so dass die Effizienz und somit die digitale Entropierate durch gemeinsame Auswertung der so verbundenen SPADs erhöht werden kann, dadurch nimmt jedoch der Flächenverbrauch eines solchen iQRNGs erheblich zu. Anderseits muss auch bei einem einzelnen Emitter-Detektor-Paar sichergestellt werden, dass die nicht detektierten Photonen sich nicht unkontrolliert innerhalb des Substrats ausbreiten und an anderer Stelle im Substrat zu Störungen führen können. Die damit verbundenen seitlichen Sperrbereiche führen daher ebenfalls zu einer Erhöhung des effektiven Flächenverbrauchs des iQRNGs.
  • Ein ebenfalls in CMOS-Technologie (HV-CMOS) realisierter iQRNG mit einer entsprechenden Anordnung einer Photonenquelle und eines Einzelphotonendetektors nebeneinander ist auch aus Khanmohammadi et al. (Khanmohammadi, Abbas, et al. „A monolithic silicon quantum random number generator based on measurement of photon detection time." IEEE Photonics Journal 7.5 (2015): 1-13) bekannt. Eine in einer kreisförmig oberflächennahen n-Wanne zwischen einem zentralen n++-Gebiet als Kathode und mehreren ringförmig darum angeordneten p++-Gebieten als Anode ausgebildete Si-LED als Photonenquelle wird dabei kreisringförmig von einer SPAD als Einzelphotonendetektor umschlossen (siehe 2 mit zugehöriger Figurenbeschreibung). Die von der SPS emittierten Photonen werden dadurch allseitig in der Ebene detektiert, wodurch gegenüber dem aus der EP 3 52 694 B1 bekannten iQRNG bei verringerten Flächenverbrauch die Effizienz erhöht werden kann. Die SPS wird somit unmittelbar in die SPAD integriert. Einzelne Photonen können jedoch auch hierbei ins Substrat emittiert oder an dessen Oberfläche extrahiert werden. Ebenfalls möglich ist auf diesen Wegen auch die Injektion von entsprechenden Photonen eines Angreifers zur Beeinflussung der Statistik.
  • Von daher besteht zur weiteren Erhöhung der Sicherheit und zur Reduzierung des Flächenverbrauchs Bedarf für eine weitere Miniaturisierung von integrierten QRNGs gegenüber dem Stand der Technik. Der iQRNG sollte weitgehend gegenüber äußeren Angriffen geschützt sein und dabei eine möglichst hohe Effizienz und möglichst geringe Substratverluste aufweisen. Um dabei nicht durch herstellungstechnologische Beschränkungen beim Design von SoCs (engl. „System on Chip, SoC“) limitiert zu sein, sollte dabei das zugrundeliegende Herstellungsverfahren möglichst technologieoffen ausgestaltet sein bzw. auf einer möglichst breit anwendbaren Technologieplattform zur Halbleiterstrukturierung basieren.
  • Beschreibung der Erfindung
  • Die erfindungsgemäße Aufgabe wird gelöst durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche. Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Ein erster Aspekt der vorliegenden Offenbarung betrifft einen integrierten Quanten-Zufallszahlengenerator, iQRNG, umfassend eine Photonenquelle und einen Einzelphotonendetektor, wobei die Photonenquelle und der Einzelphotonendetektor in vertikaler Richtung übereinander in einem gemeinsamen Substrat aus einem Halbleitermaterial angeordnet sind. Ein erfindungsgemäßer iQRNG kann auch mehrere an einen einzelnen Einzelphotonendetektor gekoppelte Photonenquellen (z. B. zur Erhöhung der Photonenrate oder der Ausfallsicherheit) oder mehrere an eine einzelne Photonenquelle gekoppelte Einzelphotonendetektoren (z. B. für Überwachungszwecke) umfassen. Ebenfalls möglich ist die Kombination von mehreren Photonenquellen und Einzelphotonendetektoren zu einem einzelnen iQRNG.
  • Im Gegensatz zum Stand der Technik findet somit keine Nebeneinanderanordnung der einzelnen optoelektronischen Komponenten statt. Vielmehr erfolgt erfindungsgemäß eine kompakte Anordnung einer Photonenquelle und eines Einzelphotonendetektors übereinander in einem gemeinsamen Substrat aus einem Halbleitermaterial. Es handelt sich somit hierbei um eine besonders kompakte monolithische 3D-Integration mit minimalem Flächenverbrauch für den iQRNG, wobei die Ausbildung der Strukturen bevorzugt einstückig erfolgen kann. Insbesondere ist hierbei eine Anordnung bevorzugt, bei der der Einzelphotonendetektor zur verbesserten Abschirmung gegenüber äußeren Einflüssen tieferliegend als die Photonenquelle im Halbleitermaterial (d. h. Photonenquelle oben, Einzelphotonendetektor unten) angeordnet ist. In einer alternativen Ausführungsform kann der Einzelphotonendetektor jedoch auch höherliegend als die Photonenquelle im Halbleitermaterial angeordnet sein (d. h. Photonenquelle unten, Einzelphotonendetektor oben). Beispielsweise kann neben einer Inversion des grundsätzlichen Strukturaufbaus bei einer Prozessierung von der Oberfläche des Substrats aus auch eine inverse Anordnung der Elemente durch eine entsprechende Strukturierung von der Rückseite des Substrats aus erfolgen. Insbesondere kann eine Strukturierung beidseitig sowohl von der Vorderseite als auch von der Rückseite des Substrats aus erfolgen.
  • Vorzugsweise handelt es sich bei der Photonenquelle um eine Einzelphotonenquelle (engl. „Single Photon Source, SPS“), dazu eingerichtet, zeitgleich nur einzelne oder einige wenige Photonen bereitzustellen. Solche zeitgleich nur einzelne oder nur einige wenige Photonen bereitstellende Photonenquellen werden im Rahmen dieser Anmeldung auch als Einzelphotonenquellen bezeichnet. Es muss sich dabei jedoch nicht um echte Einzelphotonenemitter, beispielsweise auf Basis eines einzelnen isolierten Zweiniveausystems, handeln, vielmehr können durch eine entsprechend hohe Abschwächung der Emission bzw. des zugeführten Stroms auch herkömmliche Lichtquellen als SPS ausgebildet werden.
  • Unter einem Substrat wird im Rahmen der vorliegenden Offenbarung der gesamte Halbleiter-Chip als Körper verstanden, in den beispielsweise mittels CMOS- oder anderer Technologien eine bestimmte Elementstruktur beispielsweise durch Ausbildung von unterschiedlich dotierten Wannen oder Gebieten in das Halbleitermaterial hineinstrukturiert wird. Die Strukturausbildung kann jedoch auch additiv durch Aufbringen von weiteren Schichten und Strukturen bzw. durch eine Abfolge von Ätz- und Aufbringschritten für solche weiteren Schichten und Strukturen erfolgen. Ein entsprechendes Substrat kann daher neben einem sogenannten Träger- oder Grundsubstrat (z. B. ein unstrukturiertes einkristallines Halbleitersubstrat als Basis für das epitaktischen Aufwachsen von weiteren Halbleiterschichten) auch eine Vielzahl solcher epitaktisch aufgewachsen Schichten sowie andere Beschichtungen umfassen. Das Substrat wird in dieser Anmeldung daher als materieller Träger für die Halbleiterstrukturen eines erfindungsgemäßen iQRNG und nicht im Sinne eines einfachen Träger- oder Grundsubstrats zum Aufbringen dieser Strukturen verstanden. Insofern stellt vor allem die einstückige Ausbildung eines erfindungsgemäßen iQRNG übereinander in einem gemeinsamen Substrat aus einem Halbleitermaterial eine Abgrenzung insbesondere gegenüber mit herkömmlichen Methoden hybridisch integrierten Kombinationen (z. B. mittels Flip-Chip-Montage) aus mindestens einer Photonenquelle und mindestens einem Einzelphotonendetektor etwa auf einem gemeinsamen Submount als Trägerstruktur dar.
  • Vorzugsweise handelt es sich bei der Photonenquelle um eine an einem Arbeitspunkt unterhalb oder nahe der Durchbruchspannung betriebene lichtemittierende Avalanche Zener-Diode (Zener-avLED). Bevorzugt weist die Zener-avLED eine Durchbruchspannung von < 10 V auf, bevorzugter eine Durchbruchspannung von < 8 V und noch bevorzugter eine Durchbruchspannung von < 7 V. Die Vorteile der Verwendung einer Zener-avLED als Einzelphotonenquelle werden nachfolgend näher erläutert. Diese neue Art von Einzelphotonenquellen erlauben eine hohe Einzelphotonenrate bei relativ geringer Betriebsspannung auch unterhalb und im Bereich der Zener-Durchbruchspannung und zeigen bei entsprechend gewünschter Konstruktion eine bevorzugt gerichtete Abstrahlung der erzeugten Photonen ins Substratinnere und damit in Richtung des Einzelphotonendetektors. Dadurch sind Zener-avLEDs für eine Anwendung als Einzelphotonenquelle in einem iQRNG besonders geeignet.
  • Vorzugsweise handelt es sich bei dem Einzelphotonendetektor um einen Einzelphotonen-Lawinendioden (engl. „Single Photon Avalanche Diodes, SPADs“). Darunter werden Detektoren verstanden, die aufgrund ihrer besonders hohen Empfindlichkeit bei hoher Verstärkung und geringem (Dunkel)Rauschen prinzipiell dazu in der Lage sind, einzelne Photonen detektieren und nachweisen zu können.
  • Eine Hauptidee der vorliegenden Erfindung liegt somit darin, durch eine Anordnung einer Zener-avLED und einer SPAD übereinander in einem gemeinsamen Halbleitersubstrat einen besonders kompakten und sicheren integrierten QRNG zur Verfügung zu stellen.
  • Ein Ansatz zur aufgabengemäßen Verbesserung der aus dem Stand der Technik bekannten iQRNG besteht dabei in der Auswahl einer entsprechend breiten Technologieplattform. Für SoC-Designs mit einem möglichst breiten Spektrum an möglichen Anwendungen bieten integrierte Schaltungen in der Bipolar-CMOS-DMOS-Technologie (BCD-Technologie) auf Silizium ein großes Potential. In BCD-Technologie konnten auch bereits erfolgreich hocheffiziente SPADs demonstriert und realisiert werden. Dabei erlaubt die BCD-Technologie eine besonders effektive und optimierte Integration dieser SPADs mit einer Vielzahl von weiteren funktionalen Gruppen wie etwa digitalen und analogen Schaltungskomponenten, besonders energieeffizienten digitalen Speicher- und Schaltelementen, allgemeiner Leistungs- und Treiberelektronik sowie von Detektor- und Sensorbauteilen.
  • Die im Stand der Technik bekannten Silizium-basierten SPS können im Prinzip durchaus auch in BCD-Technologien implementiert werden. Aufgrund der ungerichteten Abstrahlung der Photonen sowie einer üblicherweise direkt oberflächennah erfolgenden Implementierung sind solche Si-LEDs jedoch zur Realisierung besonders effizienter und vor Angriffen geschützter iQRNGs nicht optimal. Die oberflächennahe Implementierung bedingt auch zumeist eine Degradation für den Fall einer im Avalanche-Betrieb genutzten Si-LED. Da Silizium als indirekter Halbleiter nur schlecht zur Erzeugung von Photonen geeignet ist und diese im Allgemeinen nur durch weitere Prozesse über eine zusätzliche Wechselwirkung mit dem Kristallgitter generiert werden können, ist die Auswahl an möglichen alternativen Photonenquellen auf Basis von Silizium allerdings stark eingeschränkt.
  • Bei der Untersuchung von in einer BCD-Technologie in unterschiedlichen Schichten durch entsprechende p-n-Übergänge bereitgestellten Zener-Dioden, welche für einen dauerhaften Arbeitspunkt selbst im Durchbruchbereich optimiert sind, wobei eine oberflächennahe Zener-Diode als Emitter und eine darunter liegende einfache p-n-Diode ohne Vorspannung (engl. „zero bias“) als Detektor betrieben wurde, konnte durch die Erfinder gezeigt werden, dass in dieser Konfiguration entgegen der allgemeinen Erwartung des Fachmanns an der Zener-Diode im Avalanche-Betrieb bei der Durchbruchspannung starke Elektrolumineszenz mit einer Effektivität von mindestens 0,03 % beobachtet werden kann. Entsprechende Zener-Dioden sind im Stand der Technik üblicherweise nicht für den Betrieb als optoelektronisches Bauelement (LED) vorgesehen.
  • Insbesondere werden die erzeugten Photonen bevorzugt in Richtung der unteren p-n-Diode hin emittiert, welche somit nahezu alle emittierten Photonen detektieren kann, was über einen Photostrom auch in der erfinderischen Struktur nachgewiesen werden kann (vgl. 4 bis 7 mit zugehöriger Figurenbeschreibung). Es zeigte sich somit, dass die untersuchte Zener-Diode im Bereich der Durchbruch-/Zenerspannung eine zwar geringe, aber doch durchaus signifikante Effizienz (ca. ein detektiertes Photon pro 3000 Elektronen des Zenerdiodenstroms) aufweist und daher als Einzelphotonenquellen für die Realisierung von QRNGs in auf Silizium basierenden BCD-Technologie hervorragend geeignet erscheinen. Vor allem die bevorzugte Abstrahlung in Richtung des Detektors bietet gegenüber der isotropen Abstrahlung herkömmlicher in iQRNGs verwendeter Photonenquellen deutliche Vorteile. Dabei ist das in der CMOS-Technologie übliche Silizid zur Darstellung von verringerten Kontaktwiderständen zwischen den Metall-Kontakten und dem Halbleiter Silizid einerseits lichtdicht und andererseits spiegelnd glatt, so dass auch ursprünglich nach oben ausgesandte Photonen am Silizidspiegel zurück ins Innere des Substrats reflektiert werden können. Entsprechend ausgebildete und als SPS betriebene Zener-Dioden im Avalanche-Betrieb werden daher im Folgenden im Gegensatz zu den aus dem Stand der Technik bekannten Si-LEDs auch als lichtemittierende Avalanche Zener-Diode (engl.: „Avalanche Light Emitting Zener-Diode, Zener-avLED“) bezeichnet.
  • Die in der verwendeten BCD-Technologie bereitgestellten Zener-avLED emittieren Photonen mit Wellenlängen aus dem sichtbaren Spektralbereich und weisen dabei eine relative geringe Zener-Betriebsspannung von zumeist kleiner als 8 V auf. Da die Abstrahlung einer Zener-avLED zudem typischerweise derart gerichtet ist, dass die Photonen bevorzugt in vertikaler Richtung, d. h. von der Oberfläche weg ins Substrat hinein emittiert werden, kann zudem bei einer Anwendung in einem iQRNG eine wesentlich stärke Isolation der SPS sowie der erzeugten Photonen gegenüber der Umgebung des Halbleitermaterials erreicht werden und ein Abgreifen oder Injizieren von Photonen an der Detektoroberfläche wird deutlich erschwert.
  • Bei geeigneter Ausbildung der zu einem iQRNG gehörenden SPAD kann zudem die Effizienz der Zufallszahlenerzeugung deutlich erhöht und eine unkontrollierte Photonenausbreitung im Halbleitermaterial weitgehend unterbunden werden.
  • Die zweite wesentliche Komponente zum Aufbau eines kompakten QRNG ist daher die Auswahl eines entsprechend angepassten SPAD-Designs. Typischerweise werden diese in BCD-Technologien ebenfalls oberflächennah durch entsprechende Ausbildung von p- oder n-Wannen realisiert. Solche oberflächennahen SPADs sind mit den in CMOS-Technologie realisierten SPADs im Stand der Technik durchaus vergleichbar. Im Prinzip wäre somit der aus der EP 3 529 694 B1 bekannte iQRNG mit den obenstehend beschriebenen Zener-avLEDs auch in BCD-Technologien realisierbar. Jedoch emittieren die Zener-avLEDs wie obenstehend bereits beschrieben die Photonen mit Vorteil vorzugsweise in Richtung in das Substrat hinein. Eine aus dem Stand der Technik bekannte Nebeneinanderanordnung von einer Zener-avLED als SPS und einer oberflächennahen SPAD ließe sich zwar grundsätzlich, aber nicht unbedingt effektiv umsetzen. Bei der Verwendung von Zener-avLEDs ist es zweckmäßig die zugehörige SPAD daher unterhalb der Zener-avLED anzuordnen.
  • Die BCD Technologie ermöglicht neben der Implementierung von konventionellen n-SPADs und p-SPADs auch die Umsetzung völlig neuartiger SPAD-Konzepte, u. a. durch die Nutzung tiefliegender n- oder p-dotierten Schichten in einem BCD-Substrat.
  • Dabei konnte durch ein erst kürzlich ebenfalls von den Erfindern entwickeltes Verfahren zur Erzeugung tiefliegender p-n-Übergänge in einem BCD-Prozess zur Bereitstellung eines entsprechenden BCD-Substrats mit tiefliegenden p-n-Übergängen eine darauf basierende, besonders effiziente, tiefliegende Einzelphotonen-Lawinendiode („deepSPAD“) realisiert werden, welche auf einfache Weise unmittelbar unterhalb einer zur Bereitstellung von Einzelphotonen eingerichteten Zener-avLED angeordnet werden kann. Die Kombination aus einer Zener-avLED in Kombination mit einer tiefliegenden SPAD stellt somit im Gegensatz zu einer auf CMOS-Technologie basierenden horizontalen Integration eines QNRG gemäß Stand der Technik die wesentlichen Komponenten eines vollständig in BCD-Technologie vertikal integrierten QRNG bereit.
  • Durch die vertikale Anordnung einer Zener-avLED als Emitter und einer mittels extrem tiefliegender p-n-Übergänge realisierten deepSPAD als Empfänger kann in BCD-Technologien ein miniaturisierter, auf einem monolithischen Silizium-Die basierender Quanten-Zufallszahlgenerator mit hocheffizienter optischer Kopplung, hoher Angriffssicherheit sowie geringer Betriebsspannung realisiert werden. Damit stellt das hier vorgestellte iQRNG-Design auf BCD-Basis eine optimale Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe dar. Insbesondere kann durch die vertikale 3D-Integration die Kompaktheit eines iQRNG weiter erhöht und der Flächenverbrauch gegenüber herkömmlichen lateralen 2D-Designs bei gleichzeitiger Steigerung der Effizienz reduziert werden.
  • Vorzugsweise ist ein erfindungsgemäßer iQRNG daher in einem BCD-Substrat in BCD-Technologie ausgebildet.
  • Vorzugsweise umfasst das BCD-Substrat dabei ein Trägersubstrat; und eine auf dem Trägersubstrat aufgewachsene epitaktische Schicht, wobei zwischen dem Trägersubstrat und der epitaktischen Schicht durch eine Diffusion von in eine Oberfläche des Trägersubstrats unterhalb der epitaktischen Schicht eingebrachten Dotierstoffen ein in der epitaktischen Schicht liegender tiefliegender p-n-Übergang erzeugt wurde.
  • Bei dem Trägersubstrat kann es sich bevorzugt um ein p-Substrat handeln. Es können jedoch auch n-Substrate oder intrinsische Substrate verwendet werden. Bei dem Substratmaterial kann es sich insbesondere um Silizium handeln. Die Verfahren sind jedoch prinzipiell auch für andere Halbleitermaterialien adaptierbar. Ein typischer Dotierstoff zur Ausbildung eines p-Gebiets ist Bor. Zur Ausbildung eines n-Gebiets kann Phosphor (P), Arsen (As) oder Antimon (Sb) verwendet werden. Dabei diffundiert beispielsweise in Silizium Bor als Dotierstoff deutlich weiter aus als die schweren Donatoren (P, As oder Sb). Zudem kann festgestellt werden, dass dabei die erzeugten n-Gebiete aufgrund der höheren verwendeten Dosen weitgehend dominant sind, d. h. ein bereits mit Phosphor dotiertes n-Gebiet kann auch nach einem zusätzlichen Einbringen von Bor seinen vorhandenen Leitungstyp beibehalten. Für die Bereitstellung der tiefliegenden p-n-Übergänge kann mitunter auf zusätzliche Masken-, Lithographie- und Epitaxie-Schritte im üblichen BCD-Prozess verzichtet werden.
  • Vorzugsweise weisen der erste und der zweite Dotierstoff unterschiedliche Diffusionseigenschaften im Trägersubstrat und/oder in der epitaktischen Schicht auf. Bevorzugt weist der zweite Dotierstoff eine höhere Beweglichkeit im Trägersubstrat und/oder in der epitaktischen Schicht auf als der erste Dotierstoff. Vorzugsweise erfolgt das Einbringen des ersten Dotierstoffs und/oder des zweiten Dotierstoffs maskenlos oder über ein Maskenverfahren. Zum maskenlosen Einbringen kann beispielsweise ein direktes lonenstrahlschreibverfahren verwendet werden. Bei einem Maskenverfahren erfolgt das Einbringen mit Hilfe einer zuvor bereitgestellten Maske, wobei das Einbringen beispielsweise über ein chemisches oder physikalisches Abscheideverfahren oder ebenfalls mittels eines lonenstrahlschreibverfahrens erfolgt. Vorzugsweise überlagert unmittelbar nach dem Einbringen des zweiten Dotierstoffs in einer Aufsicht auf die Oberfläche des Trägersubstrats das erste Gebiet oder das zweite Gebiet vollständig das jeweils anderen Gebiet. Vorzugsweise handelt es sich bei dem ersten Bereich um eine tiefliegende n-Schicht (NBL-Schicht) und bei dem zweiten Gebiet um eine tiefliegende p-Schicht (PBL-Schicht).
  • Vorzugsweise bildet der Einzelphotonendetektor in einem Bereich um den tiefliegenden p-n-Übergang ein Lawinengebiet aus und umfasst ein Absorptionsgebiet zur Umwandlung von Photonen in Elektronen-Lochpaare, wobei sich das Absorptionsgebiet unmittelbar an den tiefliegenden p-n-Übergang anschließt.
  • Bevorzugt ist, dass der tiefliegende p-n-Übergang zumindest teilweise zwischen einer tiefliegenden n-Schicht als Kathode und einer sich unmittelbar an die tiefliegende n-Schicht anschließenden tiefliegenden p-Schicht ausgebildet ist. Ebenfalls bevorzugt ist, dass das Absorptionsgebiet sich unmittelbar an die tiefliegende p-Schicht anschließt und im Wesentlichen als p-Gebiet ausgebildet ist. Im Wesentlichen bedeutet dabei, dass das Absorptionsgebiet teilweise auch als intrinsisches Gebiet ausgebildet sein kann. Weiterhin bevorzugt ist, dass eine als p+-Gebiet ausgebildete Anode sich unmittelbar an das Absorptionsgebiet anschließt.
  • Vorzugsweise wird ein unterhalb des in der epitaktischen Schicht liegenden tiefliegenden p-n-Übergangs des Einzelphotonendetektors ausgebildeter zweiter tiefliegender p-n-Übergang (z. B. in dem Trägersubstrat) als zusätzlicher Photodetektor zur Überwachung auf äußere Angriffe genutzt. Durch das besagte Verfahren zur Erzeugung tiefliegender p-n-Übergänge in einem BCD-Prozess ergibt sich nämlich bei einigen Ausführungsformen unterhalb des ersten p-n-Übergangs ein darunterliegender zweiter p-n-Übergang (siehe 3 mit zugehöriger Figurenbeschreibung). Dieser kann aufgrund seiner weitgehend identischen elektronischen Eigenschaften ebenfalls als Photodetektor bzw. Einzelphotonen-Lawinendiode konfiguriert werden. Da dieser zusätzliche Photodetektor somit unterhalb der eigentlichen QRNG-Anordnung tief vergraben im Halbleitermaterierial angeordnet ist, kann dieser eine Schutzfunktion gegenüber von der Rückseite des Substrats injizierten Photonen bereitstellen. Diese können in unmittelbarer Nähe zum QRNG in einem breiten Winkelbereich detektiert werden. Dadurch lassen sich äußere Angriffe mit hoher Wahrscheinlichkeit erkennen.
  • Vorzugsweise ist die Ober- und/oder Unterseite des Substrats im Bereich des iQRNG an einer Oberfläche verspiegelt oder diese umfasst eine lichtblockierende Schicht. Eine Verspiegelung der Oberflächen eines Substrats (z. B. mittels Metallisierung oder dem Aufbringen dichroitischer Schichten) sowie das Aufbringen einer lichtblockierenden Schicht sind im Stand der Technik bekannt und wurden obenstehend bereits diskutiert. Auch bei einem erfindungsgemäßen iQRNG können diese Ansätze zu einer Abschirmung gegenüber äußeren Photonen („Abschattung“) sowie zur Erhöhung der Effizienz durch Rückreflektion der von der zugehörigen Photonenquelle erzeugten Photonen genutzt werden. Alternativ oder zusätzlich kann zudem eine entsprechende Verkapselung im Bereich des iQRNG oder das Umgeben dieses Bereichs mit einer Metallbox erfolgen.
  • Vorzugsweise ist die Oberfläche des Substrats im Bereich des iQRNG mit einer Silizid-Schicht und oberhalb mit einer Metallisierung bedeckt. Bevorzugt ist die Metallisierung im Bereich des iQRNG geschlossen. Die Metallisierung kann als Verspiegelung für den Innenbereich und/oder als wellenlängenunabhängige Abschattung für äußeren Photonen wirken. In gleicher Weise gilt das für eine ausgebildete Silizid-Schicht.
  • Vorzugsweise wird ein Austreten von durch die Photonen- bzw. Einzelphotonenquelle bereitgestellten Photonen an der Oberfläche des Substrats und/oder der Rückseite des Substrats durch eine Kombination von jeweils mindestens einem Element aus Metallabdeckungen, Seitenwandkontakten und Vias verhindert. Durch die genannten Elemente kann eine weitgehend vollständige Abschirmung bzw. Verkapselung des iQRNG erreicht werden, wodurch neben einer Abschirmung nach außen auch eine hohe Immunität gegenüber äußeren Störungen gewährleistet werden kann.
  • Vorzugsweise sind mehrere erfindungsgemäße iQRNG bzw. ein vielkanaliges QRNG-System umfassend eine Vielzahl erfindungsgemäßer iQRNG auf dem gleichen Substrat realisiert. Zusammen mit einer kompakten Abschirmung der einzelnen iQRNG lassen sich dabei sehr hohe Integrationsdichten mit einer hohen Anzahl an dicht gepackten, voneinander entkoppelter iQRNG und damit insgesamt hohe effektive Zufallszahlenraten erreichen. Bei iQRNG im Stand der Technik ist die Integrationsdichte vor allem durch die strukturelle Nebeneinanderanordnung der einzelnen Komponenten beschränkt.
  • Vorzugsweise umfasst ein erfindungsgemäßer QRNG eine elektronische Schaltung zur Generierung und Ausgabe einer digitalen Zufallszahlenfolge basierend auf der statistischen Auswertung der zeitlichen Abfolge von Signalen des Einzelphotonendetektors.
  • Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine integrierte elektronische Schaltung (engl. „Integrated Circuit, IC“), umfassend mindestens einen erfindungsgemäßen iQRNG. Insbesondere kann es sich dabei um ICs für Anwendungen auf der Basis von sicherheitsrelevanten Chip-basierten Systemen (engl. „System on Chip, SoC“) handeln.
  • Vorzugsweise wird ein erfindungsgemäßer iQRNG dabei in einen Pad-Rahmen (auch als Pad-Rand bezeichnet) der integrierten elektronischen Schaltung platziert. Bei nicht Pad-bestimmten integrierten elektronischen Schaltungen befinden sich typischerweise im Pad-Rahmen eine Vielzahl an freien Flächen, die jedoch typischerweise nicht für digitale Schaltungen oder größere analoge Schaltungsblöcke genutzt werden können. Da ein erfindungsgemäßer iQRNG aufgrund seines äußerst kompakten Aufbaus jedoch entsprechend kleinbauend ist und auch die nachfolgende Schaltungstechnik üblicherweise nur eine geringe Anzahl an Gattern umfasst, kann diese Art von QRNG dennoch in einen üblichen Pad-Rahmen integriert werden. Durch den äußerst kompakten Aufbau der erfindungsgemäßen iQRNG können dieser auch platzsparend und ohne größeren Aufwand in bereits bestehende Designs für integrierte elektronische Schaltungen implementiert werden. Dadurch wird gegenüber herkömmlichen Ansätzen zur Integration von QRNGs eine signifikante Reduzierung des Flächenverbrauchs erreicht. Die Vorteile eines erfindungsgemäßen iQRNG können dabei voll ausgeschöpft werden.
  • Die Vorteile eines erfindungsgemäßen iQRNG gegenüber den bekannten Implementierungen im Stand der Technik basieren vor allem auf der weiteren Miniaturisierung des gesamten Zufallszahlengeneratoraufbaus und die dadurch erreichte hochgradige Integration bzw. Miniaturisierung der erzeugten Strukturen. Aufgrund der vollständigen Isolation der SPS und der zugehörigen SPAD gegenüber der Umgebung kann die Sicherheit der Zufallszahlenerzeugung deutlich erhöht werden. Die gerichtete vertikale Abstrahlung aus der als SPS verwendeten Zener-avLED trägt ebenfalls zur Erhöhung der Sicherheit sowie zu einer wesentlichen Steigerung der Effizienz der Zufallszahlenerzeugung bei.
  • Ein mittels einer neuartigen BCD-Technologie bereitgestellter, unterhalb des p-n-Übergangs der SPAD ausgebildeter zweiter tiefliegender p-n-Übergang kann als zusätzlicher Photodetektor zur Überwachung von Angriffen insbesondere von der Rückseite des Substrats ausgehend genutzt werden. Dabei können die Effizienz der optischen Einkopplung in die zugehörigen SPADs sowie die Isolation und die Sicherheit durch die Nutzung von internen Metall- und Silizid-Spiegeln weiter gesteigert werden. Für die verwendeten Zener-avLED als Photonenquelle ist im Vergleich zum Stand der Technik nur eine relativ geringe Betriebsspannung von < 8 V erforderlich. Da zudem die Absorptionslänge des emittierten sichtbaren Lichts im Silizium gering (d. h. der zugehörige Absorptionskoeffizient hoch) ist, kann auch eine sehr gute optische Isolation zwischen benachbarten Elementen erzielt werden. Dies ermöglicht die Anordnung in einem Array mit hoher Zellendichte und einer daraus folgenden entsprechend hohen Erzeugungs- bzw. Entropierate.
  • Weitere Aspekte der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen oder in der folgenden Beschreibung der Zeichnungen offenbart.
  • Kurze Beschreibung der Figuren
  • Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
    • 1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines iQRNG gemäß Stand der Technik in der Aufsicht;
    • 2 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform eines iQRNG gemäß Stand der Technik in einer Seitenansicht;
    • 3 eine schematische Darstellung eines mit einem Verfahren zur Bereitstellung tiefliegender p-n-Übergänge in einem BCD-Prozess bereitgestellten BCD-Substrats und eine TCAD-Darstellung der resultierenden Dotierstoffverteilung;
    • 4 eine schematische Darstellung einer beispielhaften ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen iQRNG;
    • 5 eine schematische Darstellung einer beispielhaften zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen iQRNG;
    • 6 eine schematische Darstellung einer beispielhaften dritten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen iQRNG;
    • 7 graphische Darstellung der Abhängigkeit des a) SPAD-Stroms und b) des Verhältnisses zwischen SPAD-Strom und Zener-Strom in Abhängigkeit von der Zener-Sperrspannung bei verschiedenen SPAD-Sperrspannungen (kleiner, gleich, größer der Durchbruchspannung) innerhalb eines erfindungsgemäßen iQRNGs;
    • 8 eine schematische Darstellung einer beispielhaften elektronischen Schaltung eines Quantenzufallsgenerators zur Generierung und Ausgabe einer digitalen Zufallszahlenfolge; und
    • 9 eine schematische Darstellung eines beispielhaften Layouts einer integrierten elektronischen Schaltung mit einem erfindungsgemäßen iQRNG im Pad-Rahmen in der Aufsicht.
  • Detaillierte Beschreibung der Figuren
  • Es werden nun detaillierte Ausführungsformen beschrieben, die beispielhaft in den beigefügten Zeichnungen dargestellt sind. Die Wirkungen und Merkmale dieser Ausführungsformen werden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. In den Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugsziffern, gleiche Elemente und auf redundante Beschreibungen wird verzichtet. Die vorliegende Offenbarung kann in verschiedenen Formen verwirklicht werden und ist nicht so zu verstehen, dass sie nur auf die hier dargestellten Ausführungsformen beschränkt ist. Vielmehr sind diese Ausführungsformen Beispiele, damit diese Offenbarung gründlich und vollständig ist und dem Fachmann die Aspekte und Merkmale der vorliegenden Offenbarung vollständig vermittelt.
  • Verfahren, Elemente und Techniken, die für den Fachmann zum vollständigen Verständnis der Aspekte und Merkmale der vorliegenden Offenbarung nicht notwendig sind, werden daher gegebenenfalls nicht beschrieben. In den Zeichnungen können die relativen Größen von Elementen, Schichten und Bereichen zur Verdeutlichung übertrieben dargestellt sein.
  • Wie hierin verwendet, schließt der Begriff „und/oder“ alle Kombinationen von einem oder mehreren der aufgeführten Elemente ein. Ferner bezieht sich die Verwendung von „kann“ bei der Beschreibung von Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung auf „eine oder mehrere Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung“. In der folgenden Beschreibung von Ausführungsformen können die Begriffe in der Einzahl auch die Mehrzahl umfassen, sofern aus dem Kontext nicht eindeutig etwas Anderes hervorgeht.
  • Obwohl die Begriffe „erste“ und „zweite“ zur Beschreibung verschiedener Elemente verwendet werden, sollten diese Elemente nicht durch diese Begriffe eingeschränkt werden. Diese Begriffe werden nur verwendet, um ein Element von einem anderen Element zu unterscheiden. So kann beispielsweise ein erstes Element als zweites Element bezeichnet werden, und ebenso kann ein zweites Element als erstes Element bezeichnet werden, ohne dass dies vom Anwendungsbereich der vorliegenden Offenbarung abweicht. Ausdrücke wie „mindestens eines von“, wenn sie einer Liste von Elementen vorangestellt werden, modifizieren die gesamte Liste und nicht nur die einzelnen Elemente der Liste.
  • Begriffe wie „im Wesentlichen“, „ungefähr“ und ähnliche werden als Annäherungsbegriffe und nicht als Gradangaben verwendet und sollen die inhärenten Abweichungen bei gemessenen oder berechneten Werten berücksichtigen, die von Fachleuten erkannt werden. Wenn der Begriff „im Wesentlichen“ in Verbindung mit einem Merkmal verwendet wird, das durch einen numerischen Wert ausgedrückt werden kann, bezeichnet der Begriff „im Wesentlichen“ einen Bereich von zumindest +/- 5 % des Wertes, der auf den Wert zentriert ist.
  • 1 zeigt eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines iQRNG gemäß Stand der Technik in der Aufsicht. Die Darstellung ist an eine entsprechende Figur der EP 3 529 694 B1 angelehnt und zeigt die Oberfläche O eines zugehörigen Substrates 110, in welches der QRNG integriert ist. Eine kreisförmige Photonenquelle 120 mit einem zur Bereitstellung von Photonen eingerichteten p-n-Übergang wird über eine entsprechende Kontaktierung mit Strom versorgt und dabei zur Emission einzelner Photonen 128 angeregt. Zur Detektion der emittierten Photonen 128 ist neben der Photonenquelle 120 ein zugehöriger Einzelphotonendetektor 130 in Form einer SPAD angeordnet. Es handelt sich bei der Photonenquelle 120 und dem Einzelphotonendetektor 130 wie bei herkömmlichen hybriden Ansätzen für photonischer QNRGs allerdings auch weiterhin um strukturell und funktional getrennte Elemente, die zur Integration in einem gemeinsamen Substrat lediglich nebeneinander angeordnet werden.
  • Ein vom Einzelphotonendetektor 130 bei der Absorption eines Photons 128 erzeugter Strompuls kann dann zunächst in einem zugehörigen Mittel zur elektronischen Erfassung 152 („electronic sampling means“) registriert und ausgewertet werden, insbesondere um eine Bitfolge auf der Grundlage der Anzahl der im Einzelphotonendetektor 130 erfassten Photonen zu erzeugen. Weiterhin ist ein Mittel zur elektronischen Nachbearbeitung 154 („electronic postprocessing means“) vorgesehen, welches so konfiguriert sein soll, dass es die binären Sequenzen des Mittels zur elektronischen Erfassung 152 so verarbeiten, dass eine sogenannte „Whitening“-Operation durchgeführt wird. Diese soll eine Vielzahl von Kompressionsoperationen umfassen, die dazu dienen, die statistischen Eigenschaften der erzeugten binären Sequenzen zu verbessern. Der Nachbearbeitungsschritt soll das Entropieniveau des QRNG erhöhen. Dabei muss jedoch sichergestellt sein, dass die verwendeten Kompressionsoperationen nicht wiederrum zu einer prinzipiellen Vorhersagbarkeit der erzeugten Zufallszahlen durch Einführung deterministischer Abhängigkeiten bei der Anwendung führen.
  • Um die Effizienz der Zufallszahlenerzeugung, d. h. die effektive Entropierate, zu erhöhen, wird der photonische Teil des QRNG an der Oberfläche O des Substrats 110 von einer lichtblockierenden Schicht 150 („light inhibitor filter“), welcher zur Abschattung gegenüber einem äußeren Lichteinfall dient, geschützt. Dabei kann die lichtblockierende Schicht 150 insbesondere durch eine Metallisierungsschicht, die direkt während des Produktionsprozesses, zum Beispiel durch die CMOS-Technik, als letzte Metallisierungsebene aufgebracht werden kann, bereitgestellt werden. Dadurch soll der Photonendetektor 130 von externem Licht abgeschirmt werden und ihn nur für solche Photonen empfindlich zu machen, die aufgrund des Übersprechens von der Photonenquelle 120 durch das Substrat 110 gelangen. Darüber hinaus soll durch die Metallisierungsschicht auch die optische Kopplung der von Photonenquelle 120 emittierten Photonen 128 verbessern, indem diese nach innen reflektiert und so an einem Austritt aus der Oberfläche O des Substrats 110 behindert werden.
  • Nachteilig bei einer solchen Anordnung der optischen Komponenten nebeneinander ist der Abstand zwischen den Komponenten, welcher die Kopplungsstärke aufgrund von dem geringen Beleuchtungswinkel und der potentiellen Photonenabsorption in den verschiedenen Materialien reduziert. Zudem besteht trotz der partiell aufgebrachten lichtblockierenden Schicht 150 potentiell auch weiterhin die Möglichkeit des optischen Zugriffs und damit eines Angriffs von der Oberfläche O des Substrats 110 oder sogar von der Substratrückseite aus. Über dieses können nämlich beispielsweise zusätzliche Photonen gezielt injiziert oder extrahiert werden, so dass letztlich die Zählstatistik und damit die Entropie der erzeugten Zufallszahlen beeinflusst und kompromittiert werden kann. Weiterhin ist in der Darstellung auch zu erkennen, dass die einzelnen Photonen 128 isotrop in alle Raumrichtungen verteilt emittiert werden, so dass nur ein Bruchteil der Photonen 128 vom Photonendetektor 130 erfasst und somit statistisch ausgewertet werden kann. Dies verringert zum einen erheblich die Effizienz der Zufallszahlenerzeugung und führt anderseits dazu, das eine Vielzahl von Photonen 128 ungenutzt ins Substrat 110 emittiert werden, wo diese an anderer Stelle eventuell ebenfalls durch Beobachter bzw. Angreifer extrahiert werden oder zu Störungen führen können.
  • 2 zeigt eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform eines iQRNG gemäß Stand der Technik in einer Seitenansicht. Die Darstellung ist an eine entsprechende Figur aus Khanmohammadi et al. (A. Khanmohammadi, R. Enne, M. Hofbauer and H. Zimmermann, „A Monolithic Silicon Quantum Random Number Generator Based on Measurement of Photon Detection Time," in IEEE Photonics Journal, vol. 7, no. 5, pp. 1-13, Oct. 2015, Art no. 7500113) angelehnt. Auch in diesem Beispiel ist der prinzipielle Aufbau einer Nebeneinanderanordnung einer Photonenquelle 120 (Si-LED), welche zur Aussendung von einzelnen Photonen 128 eingerichtet ist, und einem Einzelphotonendetektor 130 (SPAD) klar zu erkennen. Im Unterschied zur in 1 gezeigten Anordnung wird die Photonenquelle 120 hierbei jedoch als kreisförmiges zentrales Element bereitgestellt, welches im Wesentlichen vollständig von einem entsprechend angepassten kreisringförmig ausgebildeten Einzelphotonendetektor 130 umgeben wird. Die gemeinsame radiale Symmetrieachse R liegt entsprechend im Zentrum des derart ausgebildeten iQRNG. Die Photonenquelle 120 wird dabei durch eine in einer tiefliegenden n-Wanne („deep n well“) ausgebildeten n-Wanne („n well“) realisiert, die über ein in die Oberfläche O des Substrats 110 („p-substrate“) zentral um die radiale Symmetrieachse R eingebrachtes n++-Gebiet als Kathode 122 und ein daneben angeordnetes p++-Gebiet als Anode 124 mit Strom versorgt wird. Außerhalb der tiefliegenden n-Wanne wird der Einzelphotonendetektor 130 ebenfalls an die Oberfläche O über ein eingebrachtes n++-Gebiet als Kathode 132 und ein weiter von der radialen Symmetrieachse R entfernt angeordnetes p++-Gebiet als Anode 134 kontaktiert. An die Kathode 132 schließt sich unterhalb eine p-Wanne („p well“) an. Unterhalb der Anode 134 ist hingegen in einer tiefliegenden p-Wanne („deep pwell“) ein p-Wanne („p well“) ausgebildet. Die Photonenquelle 120 wird hierbei als Element innerhalb der Struktur des Photonendetektors 130 bereitgestellt, so dass im Gegensatz zur 1 diese eine strukturelle und funktionale Einheit bilden.
  • Auch bei diesem Beispiel für einen iQRNG gemäß Stand der Technik werden die Photonen 128 im Wesentlichen allseitig in das Substrat 110 emittiert, so dass die auch bereits zur Ausführungsform nach 1 beschrieben Nachteile hinsichtlich der Sicherheit gegenüber Beobachtern bzw. Angreifern und zur verringerten Effizienz ebenfalls zutreffen. Durch den spezifischen Aufbau als kreisringförmige Anordnung und die strukturelle Verknüpfung des Einzelphotonendetektors 130 mit der Photonenquelle 120 kann gegenüber 1 jedoch die Integrationsdichte weiter erhöht werden. Dies beinhaltet neben einem geringeren Flächenverbrauch zur Ausbildung des iQRNG auch eine Erhöhung der Sicherheit gegenüber Angriffen sowie eine gesteigerte Effizienz bei der Zufallszahlenerzeugung bzw. der Entropierate als Vorteile. Dies hängt insbesondere auch damit zusammen, dass durch die Verringerung aller Abstände die Verluste an Photonen 128 durch auftretende Materialabsorption und ungünstige Emissionsrichtungen geringer werden. Zudem wird dadurch die Fläche für mögliche Angriffe verkleinert. Davon abgesehen besteht auch hierbei prinzipiell jedoch ebenfalls auch weiterhin die Möglichkeit insbesondere an der Oberfläche O sowie auch an anderen Stellen des Substrats 110 zur Beeinflussung der Zählstatistik durch Angreifer einzelne Photonen 128 auszukoppeln oder zu injizieren. Eine solche Nebeneinanderanordnung der beiden optischen Komponenten eines QRNG weist daher einige Nachteile auf, die einer besonders sicheren, kompakten und zuverlässigen Zufallszahlenerzeugung für SoC-Anwendungen bisher entgegenstehen.
  • 3 zeigt eine schematische Darstellung eines mit einem Verfahren zur Bereitstellung tiefliegender p-n-Übergänge 50 und 52 in einem BCD-Prozess bereitgestellten BCD-Substrats 110 und eine TCAD-Darstellung der resultierenden Dotierstoffverteilung. Ein Ausführungsbeispiel eines Verfahren zur Erzeugung tiefliegender p-n-Übergänge 50 und 52 in einem BCD-Prozess umfasst ein Bereitstellen eines Trägersubstrats 10; ein Einbringen eines ersten Dotierstoffs zur Ausbildung eines ersten Gebiets 22 (z. B. NBL) vom ersten Leitungstyp (negativ für NBL) in eine Oberfläche S des Trägersubstrats 10; ein Einbringen eines zweiten Dotierstoffs zur Ausbildung eines zweiten Gebiets 32 (z. B. PBL) vom zweiten Leitungstyp (positiv für PBL) in die Oberfläche S des Trägersubstrats 10, wobei sich das erste Gebiet 22 (NBL) und das zweite Gebiet 32 (PBL) zumindest teilweise überlagern; ein Aufwachsen einer epitaktischen Schicht 40 auf die Oberfläche S des Trägersubstrats 10, wobei sich das erste Gebiet 22 (NBL) und das zweite Gebiet 32 (PBL) durch Diffusion des ersten Dotierstoffs und des zweiten Dotierstoffs in der epitaktischen Schicht 40 ausbreiten und dadurch einen in der epitaktischen Schicht liegenden p-n-Übergang 50 ausbilden.
  • In der Darstellung handelt es sich bei dem ersten Gebiet 22 um eine tiefliegende NBL-Schicht und bei dem zweiten Gebiet 32 um eine tiefliegende PBL-Schicht. Die Reihenfolge ist jedoch vertauschbar, so dass es sich bei dem ersten Gebiet 22 auch um eine tiefliegende PBL-Schicht und bei dem zweiten Gebiet 32 um eine tiefliegende NBL-Schicht handeln kann. Über eine entsprechende Anpassung der Diffusionslängen der einzelnen Dotierstoffe kann auch die Schichtfolge der p-n-Übergänge 50 und 52 umgekehrt werden, z. B. könnten in 3 auch die NBL- und PBL-Schichten am p-n-Übergang 50 und 52 vertauscht werden.
  • Das beschriebene Verfahren unterscheidet sich von den herkömmlichen Verfahren zur Bereitstellung von BCD-Substraten 110 gemäß Stand der Technik insbesondere dadurch, dass sich das erste Gebiet 22 (NBL) und das zweite Gebiet 32 (PBL) zumindest teilweise überlagern.
  • Insbesondere kann unmittelbar nach dem Einbringen des zweiten Dotierstoffs in einer Aufsicht auf die Oberfläche S des Trägersubstrats 10 das erste Gebiet 22 oder das zweite Gebiet 32 vollständig das jeweils anderen Gebiet (32, 22) überlagern. Daher liegt bei der gezeigten Ausführungsform unmittelbar nach dem Einbringen des zweiten Dotierstoffs zur Ausbildung des zweiten Gebiets 32 (PBL) dieses in einer Aufsicht auf die Oberfläche S des Trägersubstrats 10 vollständig im ersten Gebiet 22 (NBL). Um dabei einen in der epitaktischen Schicht liegenden p-n-Übergang 50 auszubilden, weisen der erste und der zweite Dotierstoff vorzugsweise unterschiedliche Diffusionseigenschaften im Trägersubstrat 10 und/oder in der epitaktischen Schicht 40 auf. Insbesondere kann der zweite Dotierstoff im zweiten Gebiet 32 (PBL) wie gezeigt eine höhere Diffusions-Beweglichkeit (und damit Diffusionslänge) im Trägersubstrat 10 und in der epitaktischen Schicht 40 als der erste Dotierstoff im ersten Gebiet 22 (NBL) aufweisen.
  • Zur Verstärkung der Diffusion kann nach dem Einbringen des ersten Dotierstoffs und/oder des zweiten Dotierstoffs eine Erwärmung des Trägersubstrats 10 erfolgt. Weiterhin kann nach dem Aufwachsen der epitaktischen Schicht 40 eine Erwärmung des Trägersubstrats 10 zur Verstärkung der Dotierstoffdiffusion erfolgen. Ein Einbringen des ersten Dotierstoffs und/oder des zweiten Dotierstoffs kann beim vorgestellten Verfahren sowohl maskenlos oder über ein Maskenverfahren erfolgen. Bei dem gezeigten BCD-Wafer kann eine vollständige Überlagerung des ersten Gebiets 22 (NBL) mit einem einzelnen zweiten Gebiet 32 (PBL) angenommen werden. Herkömmlicher Weise werden die ersten und zweiten Gebiete 22 und 32 jedoch räumlich getrennt voneinander ausgebildet. Insbesondere ist deren Abstand dabei im Allgemeinen mindestens so groß gewählt, dass auch nach dem Ausdiffundieren der einzelnen Dotierstoffe keine sich überlagernden Gebiete erzeugt werden.
  • Die unterhalb der schematischen Darstellung angegebene TCAD-Darstellung (engl. „Technology Computer-Aided Design, TCAD“) zeigt die Dotierstoffverteilung innerhalb des kontaktierten BCD-Substrats 110 zur Simulation einer entsprechenden integrierten Diodenstruktur. Aufgrund der in dieser Ausführungsform gezeigten Doppelstruktur mit einem oberen p-n-Übergang 50 in der epitaktischen Schicht 40 und einem unteren p-n-Übergang 52 in dem Trägersubstrat 10 ergibt sich in der gezeigten Seitenansicht eine effektive Einschnürung des im Bereich der p-n-Übergänge 50 und 52 eingeschlossenen n-Gebiets NBL durch die beiden dieses n-Gebiet NBL umgebenden p-Gebiete PBL. Beide p-n-Übergänge 50 und 52 können zur Bereitstellung voneinander unabhängiger SPADs mit einer zur Erzeugung eines Lawineneffekts geeigneten Dotierungsdichte und Feldstärkeverteilung ausgebildet werden.
  • Mittels entsprechender BCD-Substrate 110 zur weiteren Verwendung in BCD-Technologien lassen sich somit besonders tiefliegende SPADs („deepSPADs“) erzeugen. Insbesondere bleibt oberhalb der bereitgestellten SPADs dabei noch genügend Bauraum zur Integration weiterer optoelektronischer Komponenten. Erfindungsgemäß kann daher insbesondere eine oberhalb der tiefliegenden SPAD ausgebildete Zener-avLED dazu genutzt, einen besonders kompakten, vertikal aufgebauten iQRNG zu realisieren, bei dem einzelne Photonen 128 durch die Zener-avLED vorzugsweise in Richtung des oberen p-n-Übergangs 50 emittiert werden und somit für eine Detektion durch eine unmittelbar unterhalb der Zener-avLED am oberen p-n-Übergang 50 ausgebildeten SPAD als Einzelphotonendetektor bereitgestellt werden (siehe 4 mit zugehöriger Figurenbeschreibung).
  • 4 zeigt eine schematische Darstellung einer beispielhaften ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen iQRNG 200. Der gezeigte integrierte QRNG 200 umfasst eine Photonenquelle 120 und einen Einzelphotonendetektor 130, wobei die Photonenquelle 120 und der Einzelphotonendetektor 130 in vertikaler Richtung übereinander in einem gemeinsamen Substrat aus einem Halbleitermaterial angeordnet sind. Vorzugsweise handelt es sich bei der Photonenquelle 120 um eine Einzelphotonenquelle (SPS), dazu eingerichtet, zeitgleich nur einzelne oder einige wenige Photonen 128 bereitzustellen. Vorzugsweise handelt es sich bei der Photonenquelle 120 um eine an einem Arbeitspunkt unterhalb oder nahe der Durchbruchspannung betriebene lichtemittierende Avalanche Zener-Diode (Zener-avLED). Vorzugsweise handelt es sich bei dem Einzelphotonendetektor 130 um eine Einzelphotonen-Lawinendiode (SPAD).
  • Der iQRNG 200 ist vorzugsweise in einem BCD-Substrat 110 in BCD-Technologieausgebildet. Vorzugsweise umfasst das BCD-Substrat 110 ein Trägersubstrat 10; und eine auf dem Trägersubstrat 10 aufgewachsene epitaktische Schicht 40, wobei zwischen dem Trägersubstrat 10 und der epitaktischen Schicht 40 durch eine Diffusion von in eine Oberfläche S des Trägersubstrats 10 unterhalb der epitaktischen Schicht 40 eingebrachten Dotierstoffen ein in der epitaktischen Schicht liegender tiefliegender p-n-Übergang 50 erzeugt wurde (siehe 3). Vorzugsweise bildet der Einzelphotonendetektor 130 in einem Bereich um den tiefliegenden p-n-Übergang 50 ein Lawinengebiet aus und umfasst ein Absorptionsgebiet PW/HPW mit einer Hochvolt-p-Wanne HPW (engl. „high-voltage p-type well“) und eine p-Wanne PW (engl. „p-type well“) zur Umwandlung von Photonen in Elektronen-Lochpaare, wobei sich das Absorptionsgebiet PW/HPW unmittelbar an die den tiefliegenden p-n-Übergang 50 ausbildenden Gebiete NBL und PBL anschließt. Die vollständig ausgeprägte Hochvolt-p-Wanne HPW ermöglicht dabei einen optimalen Anschluss des tiefliegenden p-n-Übergang 50 von der Anode her.
  • Bevorzugt ist, dass der tiefliegende p-n-Übergang 50 zumindest teilweise zwischen einer tiefliegenden n-Schicht NBL als Kathode 132 und einer sich unmittelbar an die tiefliegende n-Schicht NBL anschließenden tiefliegenden p-Schicht PBL ausgebildet ist, das Absorptionsgebiet PW/HPW sich unmittelbar an die tiefliegende p-Schicht PBL anschließt und im Wesentlichen als p-Gebiet (optional ein intrinsisches Gebiet umfassend) ausgebildet ist, und eine als p+-Gebiet ausgebildete Anode 134 sich unmittelbar an das Absorptionsgebiet PW/HPW anschließt.
  • Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind die jeweiligen Anoden 124 und 134 der Photonenquelle 120 und des Einzelphotonendetektors 130 zusammengelegt. Diese können dann beispielsweise über eine gemeinsame zweite Metallisierung MET2 an der Oberfläche S des BCD-Substrats 110 elektrisch kontaktiert werden. Durch eine gemeinsame und durchgehende zweite Metallisierung MET2 kann auch eine Abschattung zur Abschirmung des gesamten Bauraums darunter erreicht werden. Die zugehörigen Kathoden 122 und 132 sind beispielhaft jeweils einzeln ausgeführt und können über eine erste zugehörige erste Metallisierung MET1 elektrisch kontaktiert werden. Der erfindungsgemäße iQRNG kann als kreisförmige Struktur ausgebildet sein (entspricht einer räumlichen Rotation der gezeigten Darstellungsebene um eine gedachte zentrale Achse in vertikaler Richtung). Es sind jedoch auch andere Ausbildungen der gezeigten Struktur möglich.
  • 5 zeigt eine schematische Darstellung einer beispielhaften zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen iQRNG. Die gezeigte Ausführungsform entspricht weitgehend der in der 4 gezeigten ersten Ausführungsform. Die Bezugszeichen und deren jeweilige Zuordnung zu einzelnen Merkmalen gelten daher entsprechend. Im Vergleich zur 4 wurde die Hochvolt-p-Wanne HPW jedoch strukturell durch eine verjüngte Hochvolt-p-Wanne HPW und ein schwach n-dotiertes bzw. intrinsisches epitaktisches Gebiet NEPI ersetzt. Dabei bildet die Hochvolt-p-Wanne HPW des Absorptionsgebiets PW/HPW lediglich einen engen Kanal zwischen der auch in 2 gezeigten obenliegenden p-Wanne PW und der tiefliegenden p-Schicht PBL des tiefliegende p-n-Übergang 50 aus. Die Umgebung des Kanals wird durch das schwach n-dotiertes bzw. intrinsische epitaktische Gebiet NEPI definiert. Durch den Kanal kann wird der tiefliegenden p-n-Übergang 50 ohne einem zusätzlichen Durchgriff/Punch durch das schwach n-dotierte bzw. intrinsisches epitaktisches Gebiet NEPI von der Anode her angeschlossen.
  • 6 zeigt eine schematische Darstellung einer beispielhaften dritten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen iQRNG. Die gezeigte Ausführungsform entspricht weitgehend der in der 5 gezeigten ersten Ausführungsform. Die Bezugszeichen und deren jeweilige Zuordnung zu einzelnen Merkmalen gelten daher entsprechend. Im Vergleich zur 4 wurde auf die kanalförmig ausgebildete Hochvolt-p-Wanne HPW im Absorptionsgebiet PW/HPW verzichtet und das schwach n-dotierte bzw. intrinsische epitaktische Gebiet NEPI erstreckt sich über den gesamten unteren Bereich. Insofern wurde im Vergleich zur 4 die Hochvolt-p-Wanne HPW strukturell durch ein schwach n-dotierte bzw. intrinsisches epitaktisches Gebiet NEPI ersetzt. Der tiefliegende p-n-Übergang 50 wird somit erst nach einem zusätzlichen Durchgriff/Punch durch das schwach n-dotierte bzw. intrinsisches epitaktisches Gebiet NEPI von der Anode her angeschlossen, was eine Entkopplung von möglicherweise mehreren nebeneinander parallel angeordneten Zellen bewirkt.
  • 7 zeigt eine graphische Darstellung der Abhängigkeit des a) SPAD-Stroms und b) des Verhältnisses zwischen SPAD-Strom und Zener-Strom in Abhängigkeit von der Zener-Sperrspannung bei verschiedenen SPAD-Sperrspannungen (kleiner, gleich, größer der Durchbruchspannung) innerhalb eines erfindungsgemäßen iQRNGs. Die unter a) gezeigte Abhängigkeit zeigt dabei deutlich, dass der SPAD-Strom mit der Zener-Sperrspannung im Bereich von 5,6 V bis 6,6 V exponentiell ansteigt. Dies gilt für alle Betriebsmodi der SPAD, d. h. unterhalb dessen eigener Durchbruchspannung (< VBD, linearer Bereich), nahe der Durchbruchspannung (~ VBD, Avalanche-Bereich) sowie auch oberhalb der Durchbruchspannung (> VBD) und somit auch im Geiger-Betrieb.
  • Der unter b) gezeigte untere Kurvenverlauf (< VBD) zeigt, dass das gemessene Stromverhältnis zwischen dem SPAD-Strom und dem Zener-Strom für verschiedene Zener-Sperrspannungen im Bereich 5,8 bis 6,6 V etwa 1:4000 beträgt. Im Bereich der Durchbruchspannung (~ VBD) der SPAD steigt das Verhältnis auf Werte um 1:10. Dies ist im sog. Multiplikationsfaktor der SPAD begründet, welcher im Bereich der Durchbruchspannung den linearen Bereich verlässt. Der obere Kurvenverlauf gibt schließlich das entsprechende Verhältnis bei der oberhalb der zugehörigen Durchbruchspannung (> VBD) betriebenen SPAD an (etwa 1:1). Dies bedeutet, dass bei einer oberhalb der zugehörigen Durchbruchspannung (> VBD) betriebenen SPAD der erzeugte Photostrom und der Zener-Strom der Zener-avLED in etwa gleich groß sind und ein deutliches Messsignal mittels der Kopplung von Photonen auf der SPAD gemessen werden kann.
  • 8 zeigt eine schematische Darstellung einer beispielhaften elektronischen Schaltung eines Quantenzufallsgenerators 400 zur Generierung und Ausgabe einer digitalen Zufallszahlenfolge. Bei der gezeigten Entropiequelle 401 kann es sich insbesondere um eine Photonenquelle 120 und einen Einzelphotonendetektor 130 eines erfindungsgemäßen iQRNG 200 handeln, wobei der iQRNG 200 über eine Versorgungsspannungsleitung VENT, welche an einen Spannungswandler 408 angeschlossen ist, gegenüber einem Bezugspotential auf einer Bezugspotentialleitung GND mit einer Spannung versorgt wird. Ein von der Entropiequelle 401 erzeugtes Spannungssignal 405 wird in einem Analog-zu-Digital-Wandler (engl. „Analog-to-Digital Converter, ADC“) 403, welcher über eine Referenzspannungsleitung VREF versorgt wird, zunächst digitalisiert und als digitales Ausgangssignal 407 an eine Pulsverlängerungsschaltung 406 übergeben. Die Versorgungsspannungsleitung VENT und die Referenzspannungsleitung VREF werden über einen Spannungsmonitor 413 überwacht, wobei sowohl der Spannungswandler 408 als auch der Spannungsmonitor 413 über eine positive Versorgungsspannungsleitung VDD gegenüber dem Bezugspotential auf der Bezugspotentialleitung GND mit Spannung versorgt werden. Der Spannungswandler 408 ist mit dem Spannungsmonitor 413 über eine Spannungswandlerleitung 421 verbunden.
  • Bei der Pulsverlängerungsschaltung 406 kann es sich insbesondere um eine monostabile Kippstufe (Monoflop, MF) handeln. Das Monoflop kann dazu genutzt werden, einen Puls auf der Leitung des digitalen Ausgangssignals 407 des ADC 403 in Abhängigkeit von einem bestimmten vorgegebenen Systemtakt, beispielsweise auf eine zeitliche Länge von mindestens einer Taktperiode des Systemtakts, zu verlängern.
  • Von der Pulsverlängerungsschaltung 406 wird dann ein einsynchronisiertes Spannungssignal 415, d. h. beispielsweise ein Puls mit einer bestimmten Mindestlänge, ausgegeben und an einen Zeit-zu-Pseudozufallszahl-Wandler (engl. „Time-to-Pseudo-Random-Number Converter, TPRC“) 404.3 übergeben. Dieser kann ein- oder mehrstufig zusammengesetzt sein. Beispielsweise kann der TPRC 404.3 ein analoges Instrument, einen Zeit-zu-Analog-Wandler (engl. „Time-to-Analog Converter, TAC“), und einen Analog-zu-Pseudozufallszahl-Wandler (engl. „Analog-to-Pseudo-Random-Number Converter, APRC“) umfassen, die zusammen ebenfalls einen TPRC 404.3 bereitstellen können. Der Pseudozufallszahlengenerator des TPRC 404.3 kann ein rückgekoppeltes Schieberegister umfassen, dass je nach Konstruktion mit jedem Takt des Systemtakts seine Werte um eine Stelle nach links oder rechts verschiebt und in das freiwerdende Bit den Rückkoppelwert eines vorgegebenen Rückkoppelpolynoms zurückspeist. Bei dem Rückkoppelpolynom kann es sich bevorzugt um ein einfach-primitives Rückkoppelpolynom handeln. Der TPRC 404.3 kann unmittelbar mit einem internen Datenbus 419 verbunden sein. Das Ausgangssignal 410 des TPRC 404.3 kann weiterhin einer Entropieextraktion 404.4 zugeführt werden.
  • Beginnend mit einem Startwert des Pseudozufallszahlengenerators (einem sogenannten Seed-Wert) kann hierzu jedem Takt des Systemtakts ab einer fallenden Flanke des einsynchronisiertes Spannungssignals 415 genau eine Pseudozufallszahl des Pseudozufallszahlengenerators bijektiv zugeordnet werden, d. h. aus dem Wert der Pseudozufallszahl kann dann auf die zeitliche Position des betreffenden Takts des Systemtaktes nach der fallenden Flanke des einsynchronisierten Spannungssignals 415 geschlossen werden.
  • Anstatt eines üblichen Digitalzählers wie im Stand der Technik kann somit ein Pseudozufallszahlengenerator verwendet werden. Der Vorteil ist, dass selbst bei einer durch einen Angreifer erfolgreich durchgeführten Einprägung einer Störung in das einsynchronisierten Spannungssignal 415 die Zufälligkeit des Quantenzufallsbits am Ausgang 411 der Entropieextraktion 404.4 nur marginal gestört wird, da der Angreifer das zugehörige Rückkoppelpolynom kennen müsste. Vorzugsweise kann dieses zufällig aus einer Vielzahl an Möglichkeiten ausgewählt werden. Gleiches gilt für den Seed-Wert des Pseudozufallszahlengenerators, welchen ein Angreifer dann ebenfalls ermitteln müsste. Ein weiterer Vorteil eines Pseudozufallszahlengenerators an Stelle eines einfachen Digitalzählers ist der geringere Flächenbedarf der Rückkoppellogik mittels eines einfach-primitiven Rückkoppelpolynoms gegenüber einem Binärzähler. Ist das linear rückgekoppelte Schieberegister des Pseudozufallszahlengenerators lang genug, so ist jedem Takt zwischen zwei Pulsen des von der Entropiequelle 401 erzeugten Spannungssignals 405 typischerweise eine eindeutige Pseudozufallszahl zugeordnet.
  • Die Entropieextraktion 404.4 kann dazu genutzt werden, einen Fehler (d. h. einen nicht gewünschten Zustand) im Ausgangssignal 410 des TPRC 404.3 zu ermitteln. Hierzu kann die Entropieextraktion 404.4 insbesondere zwei über einen Komparator miteinander vergleichbare linear rückgekoppelte Schieberegister aufweisen. Auch an dieser Stelle kann somit auf herkömmliche Binärzähler verzichtet werden. Eine Rückkopplung kann abhängig vom der Registertiefe ebenfalls über einfach-primitive Polynome als Rückkoppelpolynome erfolgen. Die Länge der linear rückgekoppelten Schieberegister kann dabei frei einstellbar sein. Lange Schieberegister weisen im Allgemeinen eine schlechtere Datenrate und eine verbesserte Zufallsstatistik auf. Kürzere Schiebregister erlauben demgegenüber zwar eine höhere Datenrate, zeigen jedoch eine schlechtere Zufallsverteilung. Die Verwendung von Schieberegistern an dieser Stelle hat den Vorteil, dass weniger Gatter als im Stand der Technik benötigt werden, die logische Tiefe der Schaltungen kleiner ist und somit die Taktrate höher sein kann. Dadurch wird die Wahrscheinlichkeit für das Vorkommen von zwei gleichen Zahlen geringer und die Zufallsbitrate wird höher.
  • Ein entsprechendes Verfahren zur Entropieextraktion kann vorsehen, dass zunächst zwei Werte des Ausgangssignals 410 des TPRC 404.3 ermittelt und in Schieberegister der Entropieextraktion 404.4 gespeichert werden. Sind zwei Werte im Schieberegister der Entropieextraktion 404.4 gespeichert, kann die Entropieextraktion 404.4 diese beiden Werte vergleichen. Die Werte in den Schieberegistern der Entropieextraktion 404.4 umfassen somit einen ersten Wert und einen zweiten Wert, die beide der TPRC 404.3 ermittelt hat. Anschließend kann die Entropieextraktion 404.4 die beiden Werte bewerten. Ist der erste Wert kleiner als der zweite Wert und die Differenz zwischen dem ersten Wert und dem zweiten Wert größer als eine Mindestdifferenz ε, so kann die Entropieextraktion 404.4 den Wert ihres Ausgang 411, auf einen ersten logischen Wert setzen. Ist der erste Wert größer als der zweite Wert und die Differenz zwischen dem ersten Wert und dem zweiten Wert größer als die Mindestdifferent ε, so kann die Entropieextraktion 404.4 ihren Ausgang 411, auf einen zweiten logischen Wert, der vom ersten logischen Wert verschieden ist, setzen. Ist die Differenz zwischen dem ersten Wert und dem zweiten Wert kleiner als die Mindestdifferenz ε, so kann die Entropieextraktion 404.4 den ersten Wert und den zweiten Wert verwerfen.
  • Bevorzugt veranlasst die Entropieextraktion 404.4 einen sogenannten Watchdog 404.5 in einem solchen Fall einen Fehlerzähler um eine erste Fehlerzählerschrittweite zu erhöhen. Die erste Fehlerzählerschrittweite kann negativ sein. Umgekehrt kann die Entropieextraktion 404.4 den Fehlerzähler des Watchdogs 404.5 um eine zweite Fehlerzählerschrittweite erniedrigen, wenn die Differenz zwischen dem ersten Wert und dem zweiten Wert größer als die Mindestdifferenz ε ist. Die zweite Fehlerzählerschrittweite kann gleich der ersten Fehlerzählerschrittweite sein.
  • Der Watchdog 404.5 ist weiterhin mit dem interne Datenbus 419 verbunden. Zusätzlich kann der Watchdog 404.5 über ein oder mehrere, vorzugsweise digitale Ein-Ausgabe-Signalleitungen 414 mit dem Spannungsmonitor 413 verbunden sein. Bevorzugt überwacht der Watchdog 404.5 die Spannungswerte, die der Spannungsmonitor 413 ermittelt. Es hat sich bewährt, wenn der Spannungsmonitor 413 nicht nur die Spannungen im Quantenzufallszahlengenerator 400 ermittelt und überwacht, sondern auch andere Spannungen innerhalb der jeweiligen Anwendungsschaltung. Bei dem Spannungsmonitor 413 kann es sich beispielsweise um einen ADC handeln.
  • Die eigentliche Aufgabe des Watchdog 404.5 ist jedoch eine Überwachung der Quantenzufallszahl RN am Ausgang 411 der Entropieextraktion 404.4. Der Watchdog 404.5 kann dabei vorzugsweise zumindest drei definierte Fehlerfälle erfassen. Der Watchdog 404.5 kann valide Quantenzufallsbits 411 unter Erzeugung eines Seed-Werts S 412 an eines optionales weiteres linear rückgekoppeltes Schieberegister als Backup-Pseudo-Zufallszahlengeneratoren (engl. „Pseudo Random Number Generator, PRNG“) 404.6 weitergeben. Vorzugsweise verhindert der Watchdog 404.5 die Verwendung der validen Quantenzufallsbits durch eine Finite-State-Machine 404.8. Sofern ein Fehler auftritt, kann der Watchdog 404.5 bestimmte Fehlerbits zur weiteren Auswertung setzen.
  • Hat der Watchdog 404.5 beispielswiese einen Fehler des Quantenzufallsgenerators 400 detektiert, so kann er vorzugsweise den Quantenzufallszahlengenerator 400 in einen Notlaufzustand versetzen. Hierzu setzt der Watchdog 404.5 vorzugsweise ein Selektionssignal 416 eines der Zufallszahlenerzeugung nachgeordneten Signalmultiplexers 404.7, sodass der Signalmultiplexer 404.7 anstatt der Zufallszahlen RN am Ausgang 411 der Entropieextraktion 404.4 die Pseudozufallszahl PRN des optionalen PRNG 404.6 in Form eines Stroms von Pseudozufallsbits über eine Pseudozufallssignalleitung 417 als Ersatz für die zumindest potenziell fehlerhafte Zufallszahl RN des Ausgangs 411 der Entropieextraktion 404.4 an den Eingang der Finite-State-Machine 404.8 legt.
  • Das optionale weitere linear rückgekoppelte Schieberegister des PRNG 404.6 kann dazu ausgebildet sein, Pseudozufallszahlen PRN zu generieren. Der Seed-Wert S 412 weist bevorzugt die letzten gerade noch gültigen Quantenzufallsbits des Ausgangs 411 der Entropieextraktion 404.4 auf. Der Watchdog 404.5 legt dann bevorzugt diese letzten gültigen Quantenzufallsbits 411 an den Eingang des optionalen PRNG 404.6 an. Der Seed-Wert S kann somit als zufälliger sicherer Startwert für ein Generatorpolynom der Rückkopplung des optionalen weiteren linear rückgekoppelten Schieberegisters des PRNG 404.6 für die Generierung der Pseudozufallszahl PRN und deren Signalisierung über die Pseudozufallssignalleitung 417 genutzt werden. Das Generatorpolynom sowie der Grad des Generatorpolynoms sind dabei bevorzugt frei wählbar. Durch den optionalen Backup-Pseudo-Zufallszahlengenerator kann im Fehlerfall zumindest übergangsweise die Bereitstellung von sicheren Zufallszahlen ermöglicht werden.
  • Die Finite-State-Machine 404.8 hat die Aufgabe, die Zufallszahl RN bzw. die Pseudozufallszahl PRN am Ausgang des Signalmultiplexers 404.7 entgegenzunehmen und entsprechende Quantenzufallsdatenwörter 418 über eine Pseudozufallssignalleitung 417 in einen flüchtiger Speicher (RAM) bzw. einen FIFO-Speicher (First In - First Out) 404.9 zu schreiben. Ist der Schreibvorgang erfolgreich, kann die Finite-State-Machine 404.8 ein Finish-Flag 404.10 über den internen Datenbus 419 setzen. Daraufhin kann ein Prozessor beispielsweise auf den flüchtiger Speicher (RAM) bzw. einen FIFO-Speicher (First In - First Out) 404.9 zugreifen und die Zufallszahl auslesen und beispielsweise zur Verschlüsselung benutzen.
  • 9 zeigt eine schematische Darstellung eines beispielhaften Layouts einer integrierten elektronischen Schaltung 500 mit einem erfindungsgemäßen iQRNG 200 im Pad-Rahmen 503 in der Aufsicht. Die integrierte elektronische Schaltung 500, beispielsweise ein Mikrocontroller, weist einen inneren Bereich 505 auf, in dem sich die wesentlichen Unterschaltkreise der integrierten elektronischen Schaltung 500 befinden. Typischerweise ist der innere Bereich 505 von einem Verdrahtungsbereich 504 umgeben, in dem vor allem Versorgungsspannungsleitungen, Datenbusleitungen und andere Leitungen geführt werden können.
  • Der Verdrahtungsbereich 504 und der innere Bereich 505 der integrierten elektronischen Schaltung 500 sind typischerweise von dem Pad-Rahmen 503 (auch als Pad-Rand bezeichnet) umgeben, der die Anschluss-Pads 502 (Anschlussflächen) für die elektrischen Bondverbindungen oder anderen elektrischen Anschlussverbindungen umfasst.
  • Vorzugsweise kann ein erfindungsgemäßer iQRNG 200 bzw. ein entsprechender Quantenzufallsgenerator 400, wie er beispielsweise in der 8 gezeigt ist, ganz oder zumindest in wesentlichen Teilen im Pad-Rahmen 503 platziert werden, da die Lücken zwischen den einzelnen Anschluss-Pads 502 oft nicht mit elektronischen Schaltungsteilen gefüllt sind. Diese Lücken müssen bei der Herstellung der integrierten elektronischen Schaltung 500 jedoch dennoch mitprozessiert werden und verursachen daher unnötige Herstellungskosten. Eine Platzierung von erfindungsgemäßen iQRNG 200 bzw. entsprechenden Quantenzufallsgeneratoren 400 ganz oder zumindest in wesentlichen Teilen im Pad-Rahmen 503 reduziert daher die Zusatzkosten für deren Bereitstellung signifikant.
  • Insbesondere können bevorzugt zumindest die Photonenquelle 120 und der Einzelphotonendetektor 130 (Entropiequelle 401) im Pad-Rahmen 503 zwischen zwei Anschluss-Pads 502 platziert werden. Weiterhin können ein ADC 403, ein Spannungswandler 408 zur Energieversorgung der Entropiequelle 403, ein Pulsverlängerungsschaltung 406 und/oder Analogteile eines erfindungsgemäßen Quantenzufallsgenerators 400 (z.B. ein Verstärker) ebenfalls im Pad-Rahmen 503 zwischen zwei Anschluss-Pads 502 platziert werden.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    Trägersubstrat
    22
    erstes Gebiet (z. B. NBL)
    32
    zweites Gebiet (z. B. PBL)
    40
    epitaktische Schicht
    50
    erster p-n-Übergang (z. B. oberer p-n-Übergang einer Doppelstruktur)
    52
    zweiter p-n-Übergang (z. B. unterer p-n-Übergang einer Doppelstruktur)
    110
    Substrat
    120
    Photonenquelle (z. B. Einzelphotonenquelle, SPS)
    122
    Kathode (n+, Photonenquelle)
    124
    Anode (p+, Photonenquelle)
    128
    Photonen
    130
    Einzelphotonendetektor (z. B. Einzelphotonen-Lawinendiode, SPAD)
    132
    Kathode (n+, Einzelphotonendetektor)
    134
    Anode (p+, Einzelphotonendetektor)
    150
    lichtblockierende Schicht (engl. „light blocking layer“)
    152
    Mittel zur elektronischen Erfassung
    154
    Mittel zur elektronischen Nachbearbeitung
    200
    iQRNG
    400
    Quantenzufallsgenerator (z. B auf einem iQRNG basierend)
    401
    Entropiequelle (z. B. iQRNG)
    403
    Analog-zu-Digital-Wandler (engl. „Analog-to-Digital Converter, ADC“)
    404.3
    Zeit-zu-Pseudozufallszahl-Wandler (engl. „Time-to-Pseudo-Random-Number Converter, TPRC“)
    404.4
    Entropieextraktion
    404.5
    Watchdog
    404.6
    Pseudo-Zufallszahlengenerator (engl. „Pseudo-Random-Number-Generator, PRNG“, z. B. linear rückgekoppeltes Schieberegister)
    404.7
    Signal-Multiplexer
    404.8
    Finite-State-Machine (FSM)
    404.9
    flüchtiger Speicher (RAM) / FIFO-Speicher (First In - First Out)
    404.10
    Finish-Flag
    405
    Spannungssignal (Entropiequelle)
    406
    Pulsverlängerungsschaltung (z. B. Monoflop, MF)
    407
    Ausgangssignal (ADC)
    408
    Spannungswandler
    410
    Ausgangssignal (TPRC)
    411
    Ausgang (Entropieextraktion)
    412
    Seed-Wert S
    413
    Spannungsmonitor
    414
    digitale Ein-Ausgabe-Signalleitung(en)
    415
    einsynchronisiertes Spannungssignal (z. B. Puls mit einer Mindestlänge)
    416
    Selektionssignal
    417
    Pseudozufallssignalleitung
    418
    Quantenzufallsdatenwörter
    419
    interner Datenbus
    420
    Interrupt-Signal
    421
    Spannungswandlerleitung
    500
    elektronische Schaltung (engl. „Integrated Circuit, IC“)
    501
    Halbleiter-Die
    502
    Anschluss-Pads (Anschlussflächen)
    503
    Pad-Rahmen
    504
    Verdrahtungsbereich
    505
    innerer Bereich
    NBL
    tiefliegende n-Schicht (engl. „n-type buried layer“)
    PBL
    tiefliegende p-Schicht (engl. „p-type buried layer“)
    H(V)PW
    Hochvolt-p-Wanne (engl. „high-voltage p-type well“)
    H(V)NW
    Hochvolt-n-Wanne (engl. „high-voltage n-type well“)
    PW
    p-Wanne (engl. „p-type well“)
    PBODY
    p-dotierter Bereich (engl. „p-type body“)
    NEPI
    schwach n-dotiertes bzw. (annähernd) intrinsisches epitaktisches Gebiet
    MET1, MET2
    Metallisierung
    CONT
    Kontakt
    STI
    Isolationsgebiet (engl. „shallow trench isolation“)
    poly
    Polysilizium-Schicht
    P+
    p+-Gebiet
    N+
    n+-Gebiet
    VDD
    positive Versorgungsspannungsleitung
    GND
    Bezugspotentialleitung
    VENT
    Versorgungsspannungsleitung (Entropiequelle)
    VREF
    Referenzspannungsleitung (ADC)
    RN
    Zufallszahl (z. B. 1-bit Zufallszahl)
    PRN
    Pseudozufallszahl
    S
    Oberfläche (Trägersubstrat, z. B. eines BCD-Substrats)
    O
    Oberfläche (Substrat, z. B. ein BCD-Substrat)
    R
    radiale Symmetrieachse
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • EP 3529694 B1 [0009, 0029, 0056]
    • EP 352694 B1 [0013]
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • Khanmohammadi et al. (Khanmohammadi, Abbas, et al. „A monolithic silicon quantum random number generator based on measurement of photon detection time.“ IEEE Photonics Journal 7.5 (2015): 1-13) [0013]
    • Khanmohammadi et al. (A. Khanmohammadi, R. Enne, M. Hofbauer and H. Zimmermann, „A Monolithic Silicon Quantum Random Number Generator Based on Measurement of Photon Detection Time,“ in IEEE Photonics Journal, vol. 7, no. 5, pp. 1-13, Oct. 2015, Art no. 7500113 [0060]

Claims (15)

  1. Integrierter Quanten-Zufallszahlengenerator, iQRNG, (200) umfassend: eine Photonenquelle (120) und einen Einzelphotonendetektor (130), dadurch gekennzeichnet, dass die Photonenquelle (120) und der Einzelphotonendetektor (130) in vertikaler Richtung übereinander in einem gemeinsamen Substrat (110) aus einem Halbleitermaterial angeordnet sind.
  2. iQRNG (200) nach Anspruch 1, wobei es sich bei der Photonenquelle (120) um eine Einzelphotonenquelle, SPS, handelt, dazu eingerichtet, zeitgleich nur einzelne oder einige wenige Photonen (128) bereitzustellen.
  3. iQRNG (200) nach Anspruch 1 oder 2, wobei es sich bei der Photonenquelle (120) um eine an einem Arbeitspunkt unterhalb oder nahe der Durchbruchspannung betriebene lichtemittierende Avalanche Zener-Diode, Zener-avLED, handelt, wobei die Zener-avLED bevorzugt eine Durchbruchspannung von < 10 V aufweist.
  4. iQRNG (200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei es sich bei dem Einzelphotonendetektor (130) um eine Einzelphotonen-Lawinendiode, SPAD, handelt.
  5. iQRNG (200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der iQRNG (200) in einem BCD-Substrat (110) in BCD-Technologie ausgebildet ist.
  6. iQRNG (200) nach Anspruch 5, wobei das BCD-Substrat (110) ein Trägersubstrat (10); und eine auf dem Trägersubstrat (10) aufgewachsene epitaktische Schicht (40) umfasst, wobei zwischen dem Trägersubstrat (10) und der epitaktischen Schicht (40) durch eine Diffusion von in eine Oberfläche (S) des Trägersubstrats (10) unterhalb der epitaktischen Schicht (40) eingebrachten Dotierstoffen ein in der epitaktischen Schicht liegender tiefliegender p-n-Übergang (50) erzeugt wurde.
  7. iQRNG (200) nach Anspruch 6, wobei der Einzelphotonendetektor (130) in einem Bereich um den tiefliegenden p-n-Übergang (50) ein Lawinengebiet ausbildet und ein Absorptionsgebiet (PW, NEPI) zur Umwandlung von Photonen in Elektronen-Lochpaare umfasst, wobei sich das Absorptionsgebiet (PW, NEPI) unmittelbar an die den tiefliegenden p-n-Übergang (50) ausbildenden Gebiete (NBL, PBL) anschließt.
  8. iQRNG (200) nach Anspruch 6 oder 7, wobei der tiefliegende p-n-Übergang (50) zumindest teilweise zwischen einer tiefliegenden n-Schicht (NBL) als Kathode (132) und einer sich unmittelbar an die tiefliegende n-Schicht (NBL) anschließenden tiefliegenden p-Schicht (PBL) ausgebildet ist, das Absorptionsgebiet (PW, NEPI) sich unmittelbar an die tiefliegende p-Schicht (PBL) anschließt und im Wesentlichen als p-Gebiet ausgebildet ist, und eine als p+-Gebiet ausgebildete Anode (134) sich unmittelbar an das Absorptionsgebiet (PW, NEPI) anschließt.
  9. iQRNG (200) nach einem der Ansprüche 6 bis 7, wobei ein unterhalb des in der epitaktischen Schicht liegenden tiefliegenden p-n-Übergangs (50) des Einzelphotonendetektors (130) ausgebildeter zweiter tiefliegender p-n-Übergang (52) als zusätzlicher Photodetektor zur Überwachung auf äußere Angriffe genutzt wird.
  10. iQRNG (200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ober- und/oder Unterseite des Substrats (110) im Bereich des iQRNG (200) an einer Oberfläche (O) verspiegelt ist oder eine lichtblockierende Schicht(150) umfasst.
  11. iQRNG (200) nach Anspruch 10, wobei die Oberfläche (O) des Substrats (110) im Bereich des iQRNG (200) mit einer Silizid-Schicht und oberhalb mit einer Metallisierung bedeckt ist.
  12. iQRNG (200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Austreten von durch die Photonenquelle (120) bereitgestellten Photonen (128) an der Oberfläche (O) des Substrats (110) und/oder einer Rückseite des Substrats (110) durch eine Kombination von jeweils mindestens einem Element aus Metallabdeckungen, Seitenwandkontakten und Vias verhindert wird.
  13. iQRNG (200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin umfassend eine elektronische Schaltung zur statistischen Auswertung der zeitlichen Abfolge von Signalen des Einzelphotonendetektors (130).
  14. iQRNG (200) nach Anspruch 13, weiterhin umfassend eine elektronische Schaltung zur Generierung und Ausgabe einer digitalen Zufallszahlenfolge basierend auf der statistischen Auswertung der zeitlichen Abfolge von Signalen des Einzelphotonendetektors (130).
  15. Integrierte elektronische Schaltung (500), umfassend mindestens einen iQRNG (200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
DE102023126168.1A 2022-10-04 2023-09-26 Integrierter Quanten-Zufallszahlengenerator Pending DE102023126168A1 (de)

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