【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于单原子器件与信息安全领域，涉及一种单原子荷电双稳态真随机数发生器、发生和制备方法。
技术介绍
1、随机数在密码学、统计学等领域有不可或缺的应用。在通讯中，随机数多被应用于加密敏感信息；在随机模拟中，随机种子用于产生具有各种概率分布的模拟模型的参数值；此外，通过在线交易进行验证需要不可预测的随机种子来生成一次性密码。在加密和模拟过程中，随机数所采用的加密协议的强度取决于所使用的随机数生成器的质量。伪随机数发生器是一种利用计算机程序从一个种子生成一串数字的发生器，由于其大约100gbps的高运行率而被广泛使用。然而，伪随机数发生器的输出值从确定性计算中得到，生成的序列可以用数学方法解码，其安全性被严重限制。对于密码学之类的应用程序，随着过去几十年计算能力的急剧增加，系统容易受到密码分析的攻击。因此，有必要基于完全不确定性的物理过程设计真随机数发生器。通过机械过程、电子噪声和放射性衰变等手段可以获得真随机数，然而这类过程得到的随机数容易产生偏差，使得输出的随机数列不均匀分布。量子随机数发生器能够产生具有不可预测性、不可再现性和无偏性的真随机数，这是由量子物理的基本原理保证的，基于计算机的密码分析无法进行破解。目前对隧穿结、存储器等电子器件进行了一定的随机数发生功能的开发，但是此类器件存在电路面积大、能耗高、慢切换时间以及存在可能失效等问题，同时如何通过输入型号对器件的输出进行调控也是另一令人困扰的问题，因此对于性能更好的随机数发生器的研发十分迫切。
技术实现思路
1、本专利
2、为达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案予以实现：
3、一种单原子荷电双稳态真随机数发生器，包括采用iii-v族半导体制成的衬底；
4、衬底表面上设置有内圈电极、外圈电极和掺杂的单原子；内圈电极和外圈电极均包括源极、漏极、调控栅极和设置栅极，外圈电极与内圈电极的相同电极通过金属引线一一对应连接，外圈电极中源极和漏极相互连接，内圈电极的源极、漏极、调控栅极和设置栅极呈x状设置，且四个相对端间隙设置，单原子位于间隙中心，且与四个相对端均间隙设置。
5、优选的，iii-v族半导体采用工业级宽禁带半导体，包括砷化铟、砷化镓或磷化铟。
6、优选的，金属引线材料为铬、钯或金。
7、优选的，掺杂的单原子为两种价态的稀土元素单原子，包括钕、铈和镝。
8、优选的，内圈电极中调控栅极和设置栅极的相对端与单原子之间的距离，大于内圈电极中源极和漏极的相对端与单原子之间的距离。
9、进一步，内圈电极中调控栅极和设置栅极的相对端与单原子之间的距离均为5-20nm，内圈电极中源极和漏极的相对端与单原子之间的距离均为2-5nm。
10、优选的，外圈电极中调控栅极和设置栅极分别连接有电源，外圈电极中漏极连接有跨阻放大器，跨阻放大器连接有数模转换器。
11、优选的，内圈电极的材料为衬底中的金属元素。
12、一种基于所述单原子荷电双稳态真随机数发生器的真随机数发生方法，在4-90k的低温环境中，向外圈电极中调控栅极和设置栅极输入恒定电压，单原子受到栅压的作用荷电状态发生随机的变化，在外圈电极中源极和漏极的输出表现为电流的随机变化，测量源极和漏极电流的变化曲线，通过数字模拟转换实现真随机数的发生。
13、一种基于所述单原子荷电双稳态真随机数发生器的制备方法，包括以下过程：
14、s1，采用超高真空分子束外延工艺，结合真空掩膜版在衬底表面制备电极标记和扫描隧道显微镜进针标记；真空退火处理后在10-8pa的真空度下在衬底表面外延生长新鲜原子级清洁且平整的(111)表面；
15、s2，在超高真空条件下设置衬底温度4-70k，在衬底表面利用微型蒸发器结合掩膜在超高真空中进行单原子沉积，单原子在衬底表面的浓度为1-3×1018个原子每平方厘米；
16、s3，根据扫描隧道显微镜进针标记进针，在4-70k的低温和超高真空下利用针尖进行原子操纵，在进针标记划定的范围内在单原子附近构筑内圈电极的源极、漏极、调控栅极和设置栅极；
17、s4，在超高真空环境中对器件的人工量子结构部分进行表面钝化和封装，再利用标准半导体工艺在所选择的衬底表面预沉积图案化金属外圈底电极，并通过真空沉积金属引线将外圈电极与内圈电极连接；利用图案化掩模进行表面钝化，局域沉积绝缘层进行封装。
18、与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：
19、本专利技术所述真随机数发生器，向调控栅极和设置栅极输入恒定电压，单原子受到栅压作用其荷电状态发生随机的变化，在源极和漏极的输出表现为电流的随机变化，测量源极和漏极电流的变化曲线，通过数字模拟转换就能实现真随机数的发生，随机数发生器输出序列中高电位、低电位的占比可通过栅压进行调控，可输出具有不同“1”、“0”占比的序列，可控性好，具有更广的应用范围；输出的随机数序列的信号源为半导体表面掺杂单原子荷电状态的随机切换，是基于量子效应的随机数发生器，这类器件产生的随机数序列具有更高的随机性，无法被计算机解码，安全性更高。该结构能够实现原子级别的精度和大小，极大减小了面积，具有更高的集成度且不受泄露电流和迁移率退化的限制。作为单原子器件，这类器件具有更高的量子相干性，在一个高相干的量子体积中可能出现成百上千的高质量的量子比特，可以实现超越经典的计算能力，在量子计算机领域具有不可替代的作用。掺杂单原子通过隧穿效应得到或失去电子发生荷电状态的切换，器件的电流始终保持在pa级别，能耗较低，产生一个随机数的时间仅为掺杂单原子得到或失去电子所需的时间，在合适的栅压下是一个快速且有效的过程，是器件具有较高的随机数生成速度。
20、进一步，跨阻放大器能够将电流转换为电压再与数模转换器相连，将电压信号转换为数字信号。
21、本专利技术通过在超高真空中进行真空掩模版辅助分子束外延生长、扫描隧道显微镜原子操纵构筑原子级精度导线、电极等方式，制备了原子级尺度的随机数发生器，具有更高的集成度、更小的电路面积和更低的能耗，有利于器件的小型化和集成化。
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1.一种单原子荷电双稳态真随机数发生器，其特征在于，包括采用III-V族半导体制成的衬底(1)；
2.根据权利要求1所述的单原子荷电双稳态真随机数发生器，其特征在于，III-V族半导体采用工业级宽禁带半导体，包括砷化铟、砷化镓或磷化铟。
3.根据权利要求1所述的单原子荷电双稳态真随机数发生器，其特征在于，金属引线材料为铬、钯或金。
4.根据权利要求1所述的单原子荷电双稳态真随机数发生器，其特征在于，掺杂的单原子(5)为两种价态的稀土元素单原子，包括钕、铈和镝。
5.根据权利要求1所述的单原子荷电双稳态真随机数发生器，其特征在于，内圈电极中调控栅极(4)和设置栅极(6)的相对端与单原子(5)之间的距离，大于内圈电极中源极(2)和漏极(3)的相对端与单原子(5)之间的距离。
6.根据权利要求5所述的单原子荷电双稳态真随机数发生器，其特征在于，内圈电极中调控栅极(4)和设置栅极(6)的相对端与单原子(5)之间的距离均为5-20nm，内圈电极中源极(2)和漏极(3)的相对端与单原子(5)之间的距离均为2-5nm。
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8.根据权利要求1所述的单原子荷电双稳态真随机数发生器，其特征在于，内圈电极的材料为衬底(1)中的金属元素。
9.一种基于权利要求1-8任意一项所述单原子荷电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的低温环境中，向外圈电极中调控栅极(4)和设置栅极(6)输入恒定电压，单原子(5)受到栅压的作用荷电状态发生随机的变化，在外圈电极中源极(2)和漏极(3)的输出表现为电流的随机变化，测量源极(2)和漏极(3)电流的变化曲线，通过数字模拟转换实现真随机数的发生。
10.一种基于权利要求1-8任意一项所述单原子荷电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】
1.一种单原子荷电双稳态真随机数发生器，其特征在于，包括采用iii-v族半导体制成的衬底(1)；
2.根据权利要求1所述的单原子荷电双稳态真随机数发生器，其特征在于，iii-v族半导体采用工业级宽禁带半导体，包括砷化铟、砷化镓或磷化铟。
3.根据权利要求1所述的单原子荷电双稳态真随机数发生器，其特征在于，金属引线材料为铬、钯或金。
4.根据权利要求1所述的单原子荷电双稳态真随机数发生器，其特征在于，掺杂的单原子(5)为两种价态的稀土元素单原子，包括钕、铈和镝。
5.根据权利要求1所述的单原子荷电双稳态真随机数发生器，其特征在于，内圈电极中调控栅极(4)和设置栅极(6)的相对端与单原子(5)之间的距离，大于内圈电极中源极(2)和漏极(3)的相对端与单原子(5)之间的距离。
6.根据权利要求5所述的单原子荷电双稳态真随机数发生器，其特征在于，内圈电极中调控栅极(4)和设置栅极(6)的相对端与单原子(5)之间的距离均为5-20nm，内圈电极...
【专利技术属性】
技术研发人员：潘毅，林煜楠，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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