[发明专利]随机噪声源及其制作方法

说明书

技术领域

本发明涉及信号处理和密码技术领域，特别涉及一种随机噪声源及其制作方法。

背景技术

随机噪声源技术是密码技术的一个重要分支。随机噪声源和随机数产生器应用范围十分广泛，是制密系统和各类密码保密系统中不可缺少的关键部件。它的工作状态直接影响制密系统和各类密码保密系统的可靠性和稳定性，所产生的随机序列的质量关系到密码装备对信息的保护强度。

随机噪声源是随机数产生器的核心。真随机性、高质量、高带宽是高质量噪声源的三个基本要求。首先，高质量的噪声源，要求信号是真随机的。理论上，通过数字电路或者计算机算法产生的随机数是伪随机的，而真正随机的噪声信号只能来源于自然界的各种自发混沌现象，如热噪声、半导体二极管在雪崩击穿过程中所产生的复合噪声，或者采用MOS(Metal-Oxide-Semiconductor，金属氧化物半导体)结构界面缺陷的随机噪声等，这些噪声源的共同局限是带宽太窄（不超过5MHz）。其次，噪声信号的质量要满足随机性的要求，能够通过各种参数测试，如频数、序列、扑克、游程和自相关检验等。这要求混沌信号来自于大自由度变量的非线性混沌振荡系统。大自由度变量之间的强非线性耦合会产生时空混沌(Spatiotemporal Chaos)振荡，这将极大地增加混沌系统复杂性，使不同空域的吸引子之间的相互耦合，从而让时空混沌振荡的轨迹几乎充满整个相空间，极大地提高噪声及随机数质量。最后，在满足真随机性和高质量的前提下，要求噪声源具有尽可能高的带宽。噪声源的带宽决定了产生随机数能够达到的速度。从理论上说，虽然使用抛硬币的方法也能够产生高质量的随机数，但是这种方法速度很慢，满足不了系统应用的需求。随着目前信号处理速度、传输速度和传输容量的大幅度提高，信息技术对随机数产生器的速度和质量不断提出新的挑战和要求。现有的数字信号处理器的速度可以达到2GHz以上，保密通讯中用的随机数产生器的速度应该同步匹配。

目前，利用自然界的物理现象产生随机数的典型方法有：对电路或电阻热噪声的直接放大、基于振荡器采样的随机数发生器、通过构造混沌电路产生随机数等。这些产生真随机数的方法，由于受到物理源电子器件带宽的限制，产生的随机数速率均在Mbit/s量级或以下，速度只能满足低端需要。随着现在信息技术的不断发展，这种差距将愈发明显。为了实现高速的随机数产生器，迫切需要寻找新的高质量、高带宽的噪声源。

发明内容

本发明提供一种随机噪声源及其制作方法，以获得具有真随机性、高质量及高带宽等优点的随机噪声源。

具体地，本发明提供一种随机噪声源，包括微波印刷电路板以及二端半导体超晶格器件。其中，半导体超晶格器件固定在微波印刷电路板上，并且包括半绝缘半导体衬底、第一半导体接触层、半导体超晶格层结构、第二半导体接触层以及第一接触电极和第二接触电极。第一半导体接触层形成在半绝缘半导体衬底上并掺杂有n型杂质；半导体超晶格层结构形成在第一半导体接触层的部分区域上而使得第一半导体接触层的暴露区域形成台面，并且半导体超晶格层结构中的势阱层掺杂有n型杂质(例如硅)；第二半导体接触层形成在半导体超晶格层结构上并掺杂有n型杂质；第一接触电极和第二接触电极分别形成在第一半导体接触层形成的台面上以及第二半导体接触层上并形成欧姆接触，且第一接触电极和第二接触电极电性连接至微波电路板。

另外，本发明还提供一种随机噪声源的制作方法，包括以下步骤：(a)提供半导体超晶格材料结构，其中半导体超晶格材料结构包括半绝缘半导体衬底以及依序外延生长在半绝缘半导体衬底上的第一半导体接触层、半导体超晶格层结构及第二半导体接触层，第一半导体接触层、半导体超晶格层结构和第二半导体接触层的材料为Ⅲ-Ⅴ族或Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体材料，并且第一半导体接触层、半导体超晶格层结构中的势阱层及第二半导体接触层掺杂有n型杂质硅；(b)依序对半导体超晶格材料结构进行台面蚀刻、钝化层沉积、钝化层开孔、金属沉积以及退火形成欧姆接触以获取具有固态自发混沌振荡特性的二端半导体超晶格器件；以及(c)利用银浆将半导体超晶格器件固定在微波印刷电路板上并通过引线将半导体超晶格器件中的多个接触电极与微波印刷电路板形成电性连接以制得封装好的随机噪声源。

本发明利用半导体超晶格器件的固态自发混沌振荡特性，可实现真随机性、高质量及高带宽的随机噪声源，实现带宽GHz以上的平坦宽带混沌信号的输出；因而可获得高质量的随机数序列，应用于数据加密、密钥管理、安全协议、数字签名、身份认证等领域。