[发明专利]基于自旋轨道耦合效应和热扰动的真随机数发生器

权利要求书

1.基于自旋轨道耦合效应和热扰动的真随机数发生器，其特征在于：

包括自下到上依次堆叠的：自旋流生成层、磁性材料层、绝缘层、盖帽层；所述自旋流生成层呈十字交叉形的Hall Bar结构，自旋流生成层由重金属材料或拓扑绝缘体制成，所述磁性材料层由铁磁材料制成，所述绝缘层由绝缘材料制成，所述盖帽层由非铁导电金属材料制成；

所述真随机数发生器的制作工艺是：

先通过膜层制备技术在硅晶元上依次制备出十字交叉形自旋流生成层、磁性材料层、绝缘层和盖帽层的薄膜，然后再进行刻蚀和微纳加工得到；所述磁性材料层、绝缘层和盖帽层分别依次堆叠在呈十字交叉形的自旋流生成层的膜面之上的中部区域；

设定：十字交叉形自旋流生成层几何中心为平面直角坐标零点，十字交叉中前后方向为X轴，左右方向为Y轴；在十字交叉形自旋流生成层的X轴和Y轴的正负方向上分别设置有一对连接电极，其中：X轴方向接入的电极用于接入写电流，Y轴方向接出的电流用于测量霍尔电压；所述磁性材料层在写电流调控下产生自旋流，把磁性材料层的力矩方向由垂直方向拉至水平，当撤去写电流后，磁性材料层中的磁矩随机取向在垂直向上或垂直向下。

2.如权利要求1所述基于自旋轨道耦合效应和热扰动的真随机数发生器，其特征在于：所述真随机数发生器包括自下到上依次堆叠的：自旋流生成层、第一铁磁层、绝缘层、第二铁磁层、钉扎层、盖帽层；第一铁磁层、绝缘层与第二铁磁层三者组成MTJ结构；所述自旋流生成层呈长条形结构，长条形自旋流生成层由重金属材料或拓扑绝缘体制成，所述第一铁磁层和第二铁磁层由铁磁材料制成，所述绝缘层由绝缘材料制成，所述盖帽层由非铁导电金属材料制成；第一铁磁层、绝缘层、第二铁磁层、钉扎层、盖帽层呈相同大小的多边形或圆形结构；

所述真随机数发生器的制作工艺是：

先通过膜层制备技术在硅晶元上依次制备出长条形自旋流生成层、第一铁磁层、绝缘层、第二铁磁层、钉扎层、盖帽层的薄膜，然后再进行刻蚀和微纳加工得到；第一铁磁层、绝缘层、第二铁磁层、钉扎层、盖帽层分别依次堆叠在呈长条形的自旋流生成层的膜面之上的中部区域；

设定：长条形自旋流生成层几何中心为平面直角坐标零点，前后方向为X轴，左右方向为Y轴，垂直向上为Z轴；在长条形自旋流生成层的X轴正负方向上设置有一对用于接入写电流的写电极，沿Z轴方向的盖帽层上部设置有读电极，所述读电极接出的电流用于测量霍尔电压；当写电极上施加写电流时，在第一铁磁层的界面处产生方向为沿Y轴的自旋积累，把第一铁磁层的力矩方向由垂直方向拉至水平，当撤去写电流后，第一铁磁层的磁矩方向随机取向在垂直向上或垂直向下，所述读电极用于读取电压，再计算MTJ结构的磁电阻，第二铁磁层的磁矩方向固定。

3.如权利要求1所述基于自旋轨道耦合效应和热扰动的真随机数发生器，其特征在于：所述十字形自旋流生成层的材料为钽（Ta）、铂（Pt）、钨（W）、Bi₂Se₃、Sb₂Te₃中的一种；所述磁性材料层的材料为CoFeB或Co；所述绝缘层的材料为MgO或AlOx；所述盖帽层的材料为钽（Ta）或钛（Ti）。

4.如权利要求2所述基于自旋轨道耦合效应和热扰动的真随机数发生器，其特征在于：所述长条形自旋流生成层的材料为钽（Ta）、铂（Pt）、钨（W）、Bi₂Se₃、Sb₂Te₃中的一种；所述第一铁磁层、第二铁磁层的材料为CoFeB；所述绝缘层的材料为MgO、Al₂O₃、Cu中的一种，所述盖帽层的材料为钽（Ta）或钛（Ti），所述钉扎层的材料为锰化铱(IrMn)或锰化镍(NiMn)。

5.如权利要求1或权利要求2所述基于自旋轨道耦合效应和热扰动的真随机数发生器，其特征在于：所述磁性材料层、绝缘层和盖帽层呈相同大小的多边形或圆形结构，当为圆形结构时，设定圆的直径小于200nm；所述第一铁磁层、绝缘层、第二铁磁层、钉扎层、盖帽层也是呈相同大小的多边形或圆形结构，当为圆形结构时，设定圆的直径小于200nm。