[發明專利]隨機噪聲源及其制作方法

無效

• 申請號: 201210030705.9
• 申請日: 2012-02-13
• 公開（公告）號: CN102570978A
• 公開（公告）日: 2012-07-11
• 發明（設計）人: 黃寓洋;張耀輝;李文
• 申請（專利權）人: 中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所
• 主分類號: H03B29/00
• 分類號: H03B29/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及信號處理和密碼技術領域，特別涉及一種隨機噪聲源及其制作方法。

背景技術

隨機噪聲源技術是密碼技術的一個重要分支。隨機噪聲源和隨機數產生器應用范圍十分廣泛，是制密系統和各類密碼保密系統中不可缺少的關鍵部件。它的工作狀態直接影響制密系統和各類密碼保密系統的可靠性和穩定性，所產生的隨機序列的質量關系到密碼裝備對信息的保護強度。

隨機噪聲源是隨機數產生器的核心。真隨機性、高質量、高帶寬是高質量噪聲源的三個基本要求。首先，高質量的噪聲源，要求信號是真隨機的。理論上，通過數字電路或者計算機算法產生的隨機數是偽隨機的，而真正隨機的噪聲信號只能來源于自然界的各種自發混沌現象，如熱噪聲、半導體二極管在雪崩擊穿過程中所產生的復合噪聲，或者采用MOS(Metal-Oxide-Semiconductor，金屬氧化物半導體)結構界面缺陷的隨機噪聲等，這些噪聲源的共同局限是帶寬太窄（不超過5MHz）。其次，噪聲信號的質量要滿足隨機性的要求，能夠通過各種參數測試，如頻數、序列、撲克、游程和自相關檢驗等。這要求混沌信號來自于大自由度變量的非線性混沌振蕩系統。大自由度變量之間的強非線性耦合會產生時空混沌(Spatiotemporal?Chaos)振蕩，這將極大地增加混沌系統復雜性，使不同空域的吸引子之間的相互耦合，從而讓時空混沌振蕩的軌跡幾乎充滿整個相空間，極大地提高噪聲及隨機數質量。最后，在滿足真隨機性和高質量的前提下，要求噪聲源具有盡可能高的帶寬。噪聲源的帶寬決定了產生隨機數能夠達到的速度。從理論上說，雖然使用拋硬幣的方法也能夠產生高質量的隨機數，但是這種方法速度很慢，滿足不了系統應用的需求。隨著目前信號處理速度、傳輸速度和傳輸容量的大幅度提高，信息技術對隨機數產生器的速度和質量不斷提出新的挑戰和要求。現有的數字信號處理器的速度可以達到2GHz以上，保密通訊中用的隨機數產生器的速度應該同步匹配。

目前，利用自然界的物理現象產生隨機數的典型方法有：對電路或電阻熱噪聲的直接放大、基于振蕩器采樣的隨機數發生器、通過構造混沌電路產生隨機數等。這些產生真隨機數的方法，由于受到物理源電子器件帶寬的限制，產生的隨機數速率均在Mbit/s量級或以下，速度只能滿足低端需要。隨著現在信息技術的不斷發展，這種差距將愈發明顯。為了實現高速的隨機數產生器，迫切需要尋找新的高質量、高帶寬的噪聲源。

發明內容

本發明提供一種隨機噪聲源及其制作方法，以獲得具有真隨機性、高質量及高帶寬等優點的隨機噪聲源。

具體地，本發明提供一種隨機噪聲源，包括微波印刷電路板以及二端半導體超晶格器件。其中，半導體超晶格器件固定在微波印刷電路板上，并且包括半絕緣半導體襯底、第一半導體接觸層、半導體超晶格層結構、第二半導體接觸層以及第一接觸電極和第二接觸電極。第一半導體接觸層形成在半絕緣半導體襯底上并摻雜有n型雜質；半導體超晶格層結構形成在第一半導體接觸層的部分區域上而使得第一半導體接觸層的暴露區域形成臺面，并且半導體超晶格層結構中的勢阱層摻雜有n型雜質(例如硅)；第二半導體接觸層形成在半導體超晶格層結構上并摻雜有n型雜質；第一接觸電極和第二接觸電極分別形成在第一半導體接觸層形成的臺面上以及第二半導體接觸層上并形成歐姆接觸，且第一接觸電極和第二接觸電極電性連接至微波電路板。

另外，本發明還提供一種隨機噪聲源的制作方法，包括以下步驟：(a)提供半導體超晶格材料結構，其中半導體超晶格材料結構包括半絕緣半導體襯底以及依序外延生長在半絕緣半導體襯底上的第一半導體接觸層、半導體超晶格層結構及第二半導體接觸層，第一半導體接觸層、半導體超晶格層結構和第二半導體接觸層的材料為Ⅲ-Ⅴ族或Ⅱ-Ⅵ族化合物半導體材料，并且第一半導體接觸層、半導體超晶格層結構中的勢阱層及第二半導體接觸層摻雜有n型雜質硅；(b)依序對半導體超晶格材料結構進行臺面蝕刻、鈍化層沉積、鈍化層開孔、金屬沉積以及退火形成歐姆接觸以獲取具有固態自發混沌振蕩特性的二端半導體超晶格器件；以及(c)利用銀漿將半導體超晶格器件固定在微波印刷電路板上并通過引線將半導體超晶格器件中的多個接觸電極與微波印刷電路板形成電性連接以制得封裝好的隨機噪聲源。

本發明利用半導體超晶格器件的固態自發混沌振蕩特性，可實現真隨機性、高質量及高帶寬的隨機噪聲源，實現帶寬GHz以上的平坦寬帶混沌信號的輸出；因而可獲得高質量的隨機數序列，應用于數據加密、密鑰管理、安全協議、數字簽名、身份認證等領域。