【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于信息安全，涉及一种单原子结构双稳态真随机数发生器、发生及制备方法。
技术介绍
1、随着微电子器件尺寸缩小到纳米尺度，泄漏电流和迁移率退化严重影响器件运行，原子尺度下的常规器件制造遭遇原理性壁垒，构建基于量子行为的器件是未来信息产业发展的必然趋势。单原子尺度器件等量子器件的物理模型建立、精准构筑、工艺制造，将为信息存储、智能计算、传感探测等高精
的可持续发展奠定硬件基础，以满足我国未来量子器件的重大需求与信息技术的创新发展。
2、混沌是非线性动力系统在一定控制参数下产生的非周期性状态，根据混沌信号的初值依赖性，可作为熵源提取随机数信号，在通信领域广泛用于密钥生成来实现信息安全与保密通信，也可在计算等领域用于蒙特卡罗仿真、ai强化学习等方向。随机数分为伪随机数与真随机数，前者是可被计算得到，后者具有不可预测性，一般通过物理方法产生。目前传统的真随机数发生器通常利用放大电路的结构产生真随机数序列，但这种结构稳定性较差，易受外界干扰，生成的真随机数信号波动性增加；放大电路复杂，产生真随机数信号的功耗较高；整体结构与cmos工艺不兼容，难以高密度集成；量子随机性低，无法适应未来量子器件的重大需求。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种单原子结构双稳态真随机数发生器、发生及制备方法，功耗低，器件尺寸小，并且具有高效稳定的特点，且与cmos工艺兼容，适用于高密度集成与量子器件。
2、为达到上述目的，本专利技术采用以下技
3、一种单原子结构双稳态真随机数发生器，包括半导体的衬底；
4、衬底上设置有外接源极、外接漏极、外接栅极、掺杂的单原子和内接栅极；单原子位于衬底靠近中心位置，外接源极、外接漏极和内接栅极一端均朝向单原子设置，外接源极和外接漏极朝向单原子的一端依次连接有金属导线和金属纳米线，金属纳米线和内接栅极朝向单原子的一端均与单原子间隙设置，内接栅极远离单原子的一端与外接栅极连接。
5、优选的，外接源极、外接漏极、外接栅极、掺杂的单原子和内接栅极均位于同一平面，内接栅极与外接栅极采用金属导线连接。
6、优选的，外接源极、外接漏极和掺杂的单原子均位于衬底表面，内接栅极位于单原子正上方，内接栅极与单原子之间设置有二维介电层，外接栅极位于内接栅极正上方。
7、优选的，衬底采用iii-v宽禁带半导体，包括砷化铟、砷化镓与磷化铟。
8、优选的，单原子采用稀土单原子。
9、优选的，内接栅极与单原子的间距为5-20nm，金属纳米线与单原子的间距为2-5nm。
10、优选的，外接源极和外接栅极输入端连接有电源，外接漏极输出端依次连接有跨阻放大器与数模转换器。
11、一种基于所述单原子结构双稳态真随机数发生器的真随机数发生方法，在4-90k低温环境中，向外接源极与外接栅极输入恒定电压，外接漏极输出电流信号，将电流信号放大转化为电压信号，再将电压信号转化为数字信号，得到真随机数。
12、一种基于所述单原子结构双稳态真随机数发生器的制备方法，包括以下过程：
13、s1，在4-70k的温度，真空度为1-4×10-8pa的环境下，通过蒸镀方式在衬底表面沉积分散的单原子，其覆盖率为1-2×1018每平方厘米；
14、s2，通过原子操纵方式构筑金属纳米线和内接栅极；
15、s3，采用真空掩膜法沉积外接源极、外接漏极、外接栅极和金属导线。
16、一种基于所述单原子结构双稳态真随机数发生器的制备方法，包括以下过程：
17、s1，在4-70k的温度，真空度为1-4×10-8pa的环境下，通过蒸镀方式在衬底表面沉积分散的单原子，其覆盖率为1-2×1018每平方厘米；
18、s2，通过原子操纵方式构筑金属纳米线；
19、s3，采用真空掩膜法沉积金属导线与内接栅极；
20、s4，通过光刻法刻蚀出外接源极、外接漏极和外接栅极。
21、与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：
22、本专利技术仅通过在iii-v族宽禁带半导体衬底上设置四个电极和单原子，通过半导体衬底(110)表面量子隧穿结电极之间的单分散掺杂原子在两种等价构型之间随机跳跃产生的不同隧穿电导状态引起的二值随机隧穿电流作为真随机数，实现真随机数的发生，是突破传统的运用放大器结构的真随机数发生器性能瓶颈的可行性技术，整体电路简单，采用器件较少，因此损耗较小，并且外界环境对已封装的单原子器件的干扰极小，具有高效稳定，使用寿命长的特点。该真随机数发生器的所需能量仅针对单原子能否越过跳跃势垒，故功耗极低。
23、本专利技术所述制备方法，通过蒸镀方式沉积单原子，stm操纵的原子制造方式进行原子级精度的内部构建，采用真空掩膜法或光刻法进行外部构建，极大减小了衬底所需的面积，实现了真随机数发生器的小型化、高密度集成化，并克服了传统制造方法下微电子器件尺寸缩小到纳米尺度时功能失效的问题。立体结构的真随机数发生器其工作逻辑涉及到栅极调控，源极输入漏极输出，其制作工艺涉及到光刻刻蚀表面钝化，能与coms工艺良好兼容，应用场景广泛，并且该真随机数发生器是单原子器件，具有高量子随机性，可以提供较相同数量的传统二进制运算更快的处理能力，在量子器件中具有重要优势。
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1.一种单原子结构双稳态真随机数发生器，其特征在于，包括半导体的衬底(8)；
2.根据权利要求1所述的单原子结构双稳态真随机数发生器，其特征在于，外接源极(1)、外接漏极(2)、外接栅极(3)、掺杂的单原子(4)和内接栅极(6)均位于同一平面，内接栅极(6)与外接栅极(3)采用金属导线(7)连接。
3.根据权利要求1所述的单原子结构双稳态真随机数发生器，其特征在于，外接源极(1)、外接漏极(2)和掺杂的单原子(4)均位于衬底(8)表面，内接栅极(6)位于单原子(4)正上方，内接栅极(6)与单原子(4)之间设置有二维介电层，外接栅极(3)位于内接栅极(6)正上方。
4.根据权利要求1所述的单原子结构双稳态真随机数发生器，其特征在于，衬底(8)采用工业级III-V宽禁带半导体，包括砷化铟、砷化镓与磷化铟。
5.根据权利要求1所述的单原子结构双稳态真随机数发生器，其特征在于，单原子(4)采用稀土单原子。
6.根据权利要求1所述的单原子结构双稳态真随机数发生器，其特征在于，内接栅极(6)与单原子(4)的间距为5-20nm，金属纳
7.根据权利要求1所述的单原子结构双稳态真随机数发生器，其特征在于，外接源极(1)和外接栅极(3)输入端连接有电源，外接漏极(2)输出端依次连接有跨阻放大器与数模转换器。
8.一种基于权利要求1-7任意一项所述单原子结构双稳态真随机数发生器的真随机数发生方法，其特征在于，在4-90K低温环境中，向外接源极(1)与外接栅极(3)输入恒定电压，外接漏极(2)输出电流信号，将电流信号放大转化为电压信号，再将电压信号转化为数字信号，得到真随机数。
9.一种基于权利要求2所述单原子结构双稳态真随机数发生器的制备方法，其特征在于，包括以下过程：
10.一种基于权利要求3所述单原子结构双稳态真随机数发生器的制备方法，其特征在于，包括以下过程：
...【技术特征摘要】
1.一种单原子结构双稳态真随机数发生器，其特征在于，包括半导体的衬底(8)；
2.根据权利要求1所述的单原子结构双稳态真随机数发生器，其特征在于，外接源极(1)、外接漏极(2)、外接栅极(3)、掺杂的单原子(4)和内接栅极(6)均位于同一平面，内接栅极(6)与外接栅极(3)采用金属导线(7)连接。
3.根据权利要求1所述的单原子结构双稳态真随机数发生器，其特征在于，外接源极(1)、外接漏极(2)和掺杂的单原子(4)均位于衬底(8)表面，内接栅极(6)位于单原子(4)正上方，内接栅极(6)与单原子(4)之间设置有二维介电层，外接栅极(3)位于内接栅极(6)正上方。
4.根据权利要求1所述的单原子结构双稳态真随机数发生器，其特征在于，衬底(8)采用工业级iii-v宽禁带半导体，包括砷化铟、砷化镓与磷化铟。
5.根据权利要求1所述的单原子结构双稳态真随机数发生器，其特征在于，单原子(4)采用稀土单原子。
【专利技术属性】
技术研发人员：潘毅，李斓，李宇昂，李雪妍，张一诺，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：
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