真随机数发生器及产生真随机数的方法与流程 专利技术说明

电气元件制品的制造及其应用技术1.本发明涉及信息安全与密码学技术领域，尤其涉及一种真随机数发生器及产生真随机数的方法。背景技术：2.随机数在密码学协议、密钥管理、数字签名和身份认证等方面都扮演着重要的角色。现有技术中，随机数发生器包括伪随机数发生器和真随机数发生器。真随机数发生器一般利用硬件生成随机数，例如利用一些物理信源的天然随机性生成随机数，包括热噪声、放射性衰变、电子电路噪声、光源噪声、电子振荡器频率抖动、量子噪声等物理信源，具有无法预测的自然随机属性，在加密应用中安全性更高。3.现有技术中的磁性信息器件真随机数发生器包括基于自旋转移矩效应(spin-transfer torque，stt)、基于自旋轨道矩效应(spin-orbit torque，sot)和基于低势垒纳米磁体技术(low barrier nanomagnet，lbnm)的真随机数发生器。4.其中，基于自旋转移力矩效应(stt)的真随机数发生器利用自旋阀(spin valve)或者磁隧道结(magnetic tunnel junctions，mtj)。在热噪声下，磁隧道结的自由层的磁矩发生一定扰动，当具有自旋极化的电流垂直流过各层时，自由层的磁矩会受到自旋转移力矩的作用，并且当自旋转移力矩足够大时，会诱导自由层的磁矩发生随机翻转。当自由层的磁矩与参考层的磁矩平行时，磁隧道结(mtj)呈现低阻态(逻辑“0”)，当自由层的磁矩与参考层的磁矩反向平行时，磁隧道结(mtj)呈现高阻态(逻辑“1”)，由此产生“0”和“1”以相同概率随机分布的数字串。5.基于自旋转移力矩效应(stt)的真随机数发生器需要具有自旋极化的电流通过脆弱的氧化物隧穿层，导致其使用寿命较低，并且，基于自旋转移力矩效应(stt)的真随机数发生器需要写入电流具有精确的脉冲幅值和脉冲宽度，因此，其稳定产生真随机数的条件较为苛刻。6.基于自旋轨道耦合效应(sot)的真随机数发生器包括重金属/铁磁/非磁构成的垂直磁化异质结，在垂直磁化异质结中，当面内电流沿水平方向流过重金属层时，由于自旋轨道耦合效应(sot)，在铁磁层和重金属层的界面处将累积水平极化的纯自旋流，并对铁磁层的磁矩产生力矩(自旋轨道矩)，将其拉至面内水平的方向。又由于热扰动的存在，撤去水平电流时，垂直磁化异质结的铁磁层的磁矩会等概率(各50％)地向上或者向下随机翻转。由于反常霍尔电阻与磁矩有关，垂直磁化异质结将因为铁磁层的磁矩翻转而呈现高阻态(逻辑“1”)和低阻态(逻辑“0”)，由此产生“0”和“1”以相同概率随机分布的数字串。7.基于自旋轨道耦合效应(sot)将铁磁层的磁矩拉至水平的过程中，磁矩方向产生了一定的偏移，当撤去水平电流时，垂直磁化异质结中的铁磁层的磁矩难以维持等概率(各50％)的向上或向下翻转，因此，基于自旋轨道耦合效应(sot)的真随机数发生器随机性较差；并且，基于自旋轨道耦合效应(sot)的真随机数发生器需要制备无形状偏移量的磁性堆叠器件，工艺要求较高，其产生真随机数所需的电流(水平电流足够大时，才能将铁磁层的磁矩拉至难磁化的水平方向)密度也较大：常需要107-108a/cm2以上的电流密度，由于大电流通过垂直磁化异质结，不仅导致能耗过大，而且热效应也会极大地降低器件的使用寿命。8.利用低势垒纳米磁体技术(lbnm)产生真随机数的原理是：在环境热噪声下，低势垒纳米垂直磁体的磁矩进行不间断不可控的随机向上或向下翻转，其频率取决于环境热噪声的频率，能否翻转取决于热噪声的能量幅值，将能否产生翻转作为逻辑“1”和逻辑“0”。基于低势垒纳米磁体技术(lbnm)的真随机数发生器无法原位保存生成的随机数，影响数据的复用，且随机数生成被动地依赖环境噪声，生成速度较慢，生成频率不固定。技术实现要素：9.有鉴于现有技术的至少一个缺陷，本发明提供一种真随机数发生器及产生真随机数的方法。10.其中，所述真随机数发生器包括：包括随机数发生模块，其中所述随机数发生模块包括：11.导电层，两端分别设有第一电极和第二电极，所述第一电极和所述第二电极用于通入第一电流；以及12.多个磁隧道结，并列地设置在所述导电层上；13.其中，所述多个磁隧道结中的每个磁隧道结均包括：14.第一磁性层，位于所述导电层之上，易磁化方向垂直于所述导电层与所述第一磁性层的交界面，被配置成在所述第一电流的焦耳热作用下，所述第一磁性层的磁矩克服翻转能量势垒向垂直于所述交界面向上或向下的方向随机翻转；15.自旋流抵消层，位于所述第一磁性层之上，用于抵消所述导电层与所述第一磁性层的交界面上产生的自旋流对所述第一磁性层的磁矩产生的自旋轨道矩；16.绝缘势垒层，位于所述自旋流抵消层之上；17.第二磁性层，位于所述绝缘势垒层之上，易磁化方向垂直于所述绝缘势垒层与所述第二磁性层的交界面；以及18.钉扎层，位于所述第二磁性层之上，用于固定所述第二磁性层的磁矩方向；19.其中，所述多个磁隧道结中的每个磁隧道结的所述钉扎层的远离所述第二磁性层的一端均设有第三电极，所述第一电极和所述第三电极用于通入第二电流。20.根据本发明的一个方面，所述多个磁隧道结中的每个还包括：21.盖帽层，位于所述钉扎层之上，用于保护其下各层。22.根据本发明的一个方面，所述第一磁性层、所述自旋流抵消层、所述绝缘势垒层、所述第二磁性层、所述钉扎层和所述盖帽层为截面形状相同的薄膜层，所述第一磁性层、所述自旋流抵消层、所述绝缘势垒层、所述第二磁性层、所述钉扎层和所述盖帽层堆叠于所述导电层的中心区域。23.根据本发明的一个方面，所述第一电流包括具有预设间隔的脉冲电流，所述第二电流在所述预设间隔通入，以测量所述多个磁隧道结中每个磁隧道结的磁电阻，并根据所述磁电阻得到随机数序列。24.根据本发明的一个方面，所述第一电流的电流强度和/或脉冲宽度根据所述第一磁性层的翻转能量势垒确定。25.根据本发明的一个方面，所述第一电流的脉冲周期决定产生真随机数的速率。26.根据本发明的一个方面，所述导电层采用重金属材料或拓扑绝缘体材料制成。27.根据本发明的一个方面，所述第一磁性层采用软磁材料制成。28.根据本发明的一个方面，所述自旋流抵消层采用与所述导电层相同的材料或与所述导电层的自旋霍尔角符号相同的材料制成。29.根据本发明的一个方面，所述第二磁性层采用铁磁材料制成。30.根据本发明的一个方面，所述盖帽层采用非铁导电金属材料制成。31.根据本发明的一个方面，所述绝缘势垒层采用金属氧化物材料制成。32.根据本发明的一个方面，所述钉扎层采用反铁磁材料制成。33.根据本发明的一个方面，所述随机数发生模块还包括衬底，位于所述导电层之下，所述衬底包括硅基片。34.根据本发明的一个方面，所述多个磁隧道结被配置成相邻两个磁隧道结的间距能够保证所述相邻两个磁隧道结之间不产生磁耦合。35.本发明还提供一种使用如上所述的真随机数发生器产生真随机数的方法，包括：36.往所述第一电极和所述第二电极通入所述第一电流，其中，所述第一电流包括具有预设间隔的脉冲电流；37.在所述预设间隔，往所述第一电极和所述第三电极通入所述第二电流，用于测量所述多个磁隧道结中每个磁隧道结的磁电阻，并根据所述磁电阻得到随机数序列。38.根据本发明的一个方面，所述第一电流在一个脉冲周期内产生的焦耳热大于所述第一磁性层的磁矩发生翻转所需的能量。39.根据本发明的一个方面，所述第二电流在所述预设间隔内产生的焦耳热小于所述第一磁性层的磁矩发生翻转所需的能量。40.根据本发明的一个方面，所述方法还包括：通过控制所述第一电流的脉冲周期，控制产生真随机数的速率。41.本发明所提供的真随机数发生器及产生真随机数的方法，利用电流的焦耳热作用驱动磁性层的磁矩发生随机翻转，一个翻转周期便可产生一个随机位，并且在撤去电流后磁矩仍能保持其状态，产生的随机位具有非易失性和可读性。设有自旋流抵消层，抵消了来自导电层的自旋轨道矩，克服了在自旋轨道耦合效应下的垂直磁化异质结器件的磁矩难以等概率发生向上和向下翻转的问题，产生随机数的稳定性更高。且相比于低势垒纳米磁体技术，通过施加微小电流主动控制磁矩翻转的时刻，通过调节电流脉冲宽度控制随机数生成的速率，更加具有主动性。42.进一步地，本发明在导电层上设有多个磁隧道结，在电流通路施加一定宽度和幅值的脉冲电流，其产生的焦耳热将克服磁隧道结中低势垒垂直纳米磁结构(第一磁性层)中磁矩的翻转势垒，电流通路上每个单元磁隧道结中的磁性层会独立得发生磁化翻转，由隧穿磁阻效应检测其产生的电阻值，其中高阻态为“1”，低阻态为“0”，这样可由一次施加电流脉冲产生多个随机数列，且每个磁隧道结克服相同势垒后的翻转状态随机，能显著提高器件的集成度、随机性和使用寿命，降低能源消耗。43.本发明所提供的真随机数发生器结构简单，器件尺寸小，能耗低，便于集成在各种便携设备上，且产生真随机数的方法简单，随机性好，具有很好的应用前景。附图说明44.为了更清楚地说明本技术实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图，而并不超出本技术要求保护的范围。45.图1示出了本发明的一个实施例所提供的真随机数发生器的随机数发生模块的前视图。46.图2示出了图1所示的真随机数发生器的随机数发生模块的俯视图。47.图3示出了图1中a部分的纵截面示意图。48.图4示出了本发明的另一个实施例所提供的真随机数发生器的随机数发生模块的部分纵截面示意图。49.图5示出了本发明的又一个实施例所提供的真随机数发生器的随机数发生模块的部分纵截面示意图。50.图6示出了本发明的一个实施例所提供的产生真随机数的方法。51.图7示出了本发明的一个实施例所提供的真随机数发生器通入的脉冲电流。具体实施方式52.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。53.在本说明书中，当提到组件(或，区域、层、部分等)被称为“在”另一组件“上”、“连接到”或“耦接到”另一组件时，这意味着该组件可以直接在另一组件上、连接到或耦接到另一组件或者第三组件可以存在于它们之间。54.在附图中，为了有效地描述，夸大了组件的厚度、比例和尺寸。如本文中所使用的，术语“和/或”包括由相关组件所限定的所有的一个或多个组合。55.诸如第一和第二等的术语可以用于描述各种组件，但组件不应受这些术语的限制。这些术语可以仅用于区分一个组件与其它组件。例如，在不脱离本发明的范围的情况下，第一组件可以被称为第二组件，并且类似地，第二组件也可以被称为第一组件。除非另有规定，单数形式的术语可以包括复数形式。56.另外，诸如“在……下方”、“在……之下”、“在……上方”以及“在……之上”的术语用于描述附图中所示的组件的关系。这些术语是相对概念并且是基于附图中所示的方向被描述。57.应当理解的是诸如“包括”、“包含”和“具有”的术语当在本文中使用时指定存在所述的特征、数量、步骤、操作、组件、部分或其组合，但不排除存在或增加一个或多个其它特征、数量、步骤、操作、组件、部分或其组合。58.除非另有定义，否则本文中所使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域的技术人员通常理解的含义相同的含义。如在常用字典中所定义的此类术语应被解释为具有与其在相关领域的上下文中的含义一致的含义，并且将不得被解释为具有理想化或过于正式的含义，除非在本技术中被明确地定义。59.图1-3示出了本发明一实施例提供的真随机数发生器的随机数发生模块100，其包括导电层110和多个磁隧道结(magnetic tunnel junction，mtj)。其中，图1和图2分别为随机数发生模块100的前视图和俯视图，图3为图1中a部分的纵截面示意图。60.本实施例中，导电层110为条形结构，其两端分别设有第一电极t1和第二电极t2。第一电极t1和第二电极t2用于通入第一电流。在本发明的其他实施例中，导电层110也可为其他形状。61.可选地，导电层110采用具有强自旋耦合效应的材料制成，可选地，如重金属材料pt、ta、w，拓扑绝缘体材料bi2se3、sb2te3、bi2te3，新型材料mos2、ptte2等。可选地，导电层110为微米级，以提高较大的微米级电流通路线宽。62.如图1所示，多个磁隧道结并列地设置在导电层110上，多个磁隧道结包括第一磁隧道结mtj1至第n磁隧道结mtjn。本发明中，n为大于1的正整数。本实施例以n≥4为示例进行描述。其中，第一磁隧道结mtj1至第n磁隧道结mtjn的结构均相同。可选地，本发明中，多个磁隧道结被配置成相邻两个磁隧道结的间距能够保证该相邻两个磁隧道结之间不产生磁耦合。即，第一磁隧道结mtj1和第二磁隧道结mtj2之间不会产生磁耦合，第n-1磁隧道结mtjn-1和第n磁隧道结mtjn之间也不会产生磁耦合。可选地，每个磁隧道结均为纳米级尺寸。63.下面结合图3，对第一磁隧道结mtj1的结构进行详细描述。图3中，以条形结构的导电层110的几何中心为三维直角坐标原点，以条形结构的延伸方向为x轴，以垂直于x轴并沿第一磁隧道结mtj1的堆叠方向为z轴。64.如图3所示，第一磁隧道结mtj1包括第一磁性层120、自旋流抵消层130、绝缘势垒层140、第二磁性层150和钉扎层160。65.第一磁性层120位于导电层110之上。其易磁化方向垂直于导电层110与第一磁性层120的交界面。本发明中，第一磁性层120被配置成在第一电流的焦耳热作用下，第一磁性层的磁矩克服翻转能量势垒向垂直于交界面向上或向下的方向随机翻转。66.自旋流抵消层130位于第一磁性层120之上，用于抵消导电层110与第一磁性层120的交界面上产生的自旋流对第一磁性层120的磁矩产生的自旋轨道矩。67.本发明中，第一磁性层120采用磁各项异性的磁晶材料制成，磁化曲线随着晶轴方向的不同存在差别，在某些方向上达到饱和磁化状态所需要的外加磁场最小，称该方向为易磁化方向，磁晶材料在易磁化方向被磁化时，磁势能最低；在另一些方向上达到饱和磁化状态所需要的外加磁场最大，称该方向为难磁化方向，磁晶材料在难磁化方向被磁化时，磁势能最高。68.可选地，第一磁性层120采用小阻尼系数、低矫顽力、具有垂直磁各项异性的材料制成，磁矩翻转能量势垒低，可选地，如co、cofe合金、conico、coauco等多层膜软磁材料。69.第一磁性层120在制成薄膜层时，主要受到形状各向异性(退磁能)的影响，易磁化方向平行于膜面。当第一磁性层120与导电层110结合时，由于界面效应，在导电层110的诱导下，第一磁性层120的易磁化方向垂直于第一磁性层120与导电层110的交界面。70.在导电层110通入第一电流后，由于第一电流的焦耳热作用，第一磁性层120的磁矩发生随机翻转，第一磁性层120的磁矩将向着磁势能最低的方向翻转，即沿着易磁化方向向垂直于导电层110与第一磁性层120的交界面向上或向下的方向随机翻转。可选地，第一磁性层120制备为单畴两态磁性器件，即第一磁性层120的磁矩在同一时间朝着同一个方向。以第一磁性层120的磁矩方向为信息的载体，通过磁矩翻转的随机性产生真随机数。热扰动是自然界中的真随机熵源，因此，第一磁性层120的磁矩翻转至垂直于导电层110与第一磁性层120的交界面向上或向下的概率各占50％。不同的磁矩方向对应不同的霍尔电阻，通过测量霍尔电阻，即可得到真随机数序列。71.然而，在第一磁性层120与导电层110的交界面上，由于自旋轨道耦合效应(sot)，电子会发生不对称散射，在第一磁性层120与导电层110的交界面上积累单自旋电子，单自旋电子通过自旋轨道矩，改变第一磁性层120的磁矩方向，将第一磁性层120的磁矩方向由垂直于第一磁性层120与导电层110的交界面拉至平行于所述交界面，在这个过程中，第一磁性层120的磁矩发生偏移，导致即使撤去第一电流后，也不能以等概率(各50％)翻转至垂直于所述交界面向上或向下的方向。72.本发明中，自旋流抵消层130可抵消由于电子自旋产生的力矩。自旋流抵消层130制备于第一磁性层120之上，导电层110通入第一电流时，自旋流抵消层130也有电流流过，由于自旋轨道耦合效应(sot)，电子发生不对称散射，在第一磁性层120与自旋流抵消层130的交界面上积累单自旋方向的电子。可选地，自旋流抵消层130选择与导电层110相同的材料制成，通过调节自旋流抵消层130的生长厚度，使得第一磁性层120上下两个交界面上产生的自旋轨道矩的大小相等、方向相反，从而使上下两个交界面上的自旋轨道矩相互抵消，使第一磁性层120的磁矩仅在热扰动下发生随机翻转。73.绝缘势垒层140位于自旋流抵消层130之上。可选地，绝缘势垒层140采用金属氧化物材料制成，可选地，包括al2o3。74.第二磁性层150位于绝缘势垒层140之上，易磁化方向垂直于绝缘势垒层140与第二磁性层150的交界面。可选地，第二磁性层150采用大阻尼系数、高矫顽力、具有磁各项异性的材料制成，可选地，包括铁磁材料。75.本发明中，绝缘势垒层140一方面通过界面效应诱导第一铁磁层120具备垂直于交界面的磁各向异性；另一方面还作为磁隧道结(mtj)的绝缘层使用，第一磁性层120、绝缘势垒层140、第二磁性层150构成的磁隧道结(mtj)的“三明治”结构，用于产生磁隧道结的磁电阻。76.钉扎层160位于第二磁性层150之上，钉扎层160用于固定第二磁性层150的磁矩方向，在钉扎层160的诱导下，可使得第二磁性层150的磁矩固定于垂直于第二磁性层150与钉扎层160的交界面向上或向下的方向不变。可选地，钉扎层160采用反铁磁材料制成，可选地，包括irmn或nimn。本发明中，如图1所示，多个磁隧道结中的每个磁隧道结的顶部(本实施例中，该顶部即为钉扎层160的远离第二磁性层150的一端上)均设有第三电极r，其中第一电极t1和第三电极r用于通入第二电流。本实施例中，每个第三电极r均相同(即采用相同材料制成)，当然在其他实施例中，每个第三电极r也可不相同(即可采用不同材料制成)。77.在第一磁性层120中，焦耳热驱动磁化翻转需要达到一定的温度。因此，当想要提高器件密度时(即减小导电通路宽度)，在通道长宽比例固定、散热情况相同的情况下，需要保持每个器件的电流不变才能达到相同的升温，这将导致第一磁性层120磁矩所需翻转的电流密度增加，功耗提高，器件寿命缩短，使得这样会使得真随机数发生器存在难以微缩、集成密度难以提高。78.本发明中，在导电层110上设有多个磁隧道结，在电流通路施加一定宽度和幅值的脉冲电流，其产生的焦耳热将克服磁隧道结中低势垒垂直纳米磁结构(第一磁性层120)中磁矩的翻转势垒，电流通路上每个单元磁隧道结中的磁性层会独立得发生磁化翻转，由隧穿磁阻效应检测其产生的电阻值，其中高阻态为“1”，低阻态为“0”，这样可由一次施加电流脉冲产生多个随机数列，且每个磁隧道结克服相同势垒后的翻转状态随机，能显著提高器件的集成度、随机性和使用寿命，降低能源消耗。79.本发明中，可选地，第一电流包括具有预设间隔的脉冲电流。可选地，第一电流为一个较大的脉冲电流。沿着x轴方向，在第一电极t1、第二电极t2具有预设间隔的第一电流。可选地，第一电流在一个脉冲周期内产生的热量大于第一磁性层120的磁矩发生随机翻转所需的能量，因此，根据第一磁性层120的磁矩的翻转能量势垒来确定第一电流的电流强度和脉冲宽度。80.沿着z轴方向在预设间隔，往第一电极t1和第三电极r通入第二电流，用于测量磁隧道结的磁电阻，并根据该磁电阻得到随机数序列。可选地，在通入第一电流时，第一磁性层120的磁矩发生随机翻转，在两次脉冲之间或撤去脉冲电流的间歇期，可以通过检测磁隧道结的磁电阻得到随机数，因此，通过控制第一电流的脉冲间隔，可以控制真随机数产生的速率。81.第二电流在一个周期内(第一电流的预设间隔时间内)产生的焦耳热不足以使第一磁性层120的磁矩克服翻转能量势垒发生翻转，即在第二电流的作用下，第一磁性层120的磁矩方向不变，维持翻转后的状态。而第二磁性层150磁矩被钉扎层160固定，具有垂直磁各向异性，且保持一个方向。在通入第一电流时，第一磁性层120的磁矩向垂直于第一磁性层120与导电层110的交界面向上或向下的方向随机翻转，此时，第一磁性层120与第二磁性层150的磁矩呈现平行或反向平行两种状态。由于隧穿磁电阻效应，第一磁性层120与第二磁性层150的磁矩平行时，可测得较低的磁电阻；第一磁性层120与第二磁性层150的磁矩反向平行时，可测得较高的磁电阻。在撤去第一电流的间歇期，即预设间隔时间里通入第二电流，由于具有n个第三电极r，每个磁隧道结将产生一个随机位，可一次性得到多个磁电阻。把不同的电阻值分别定义为逻辑“0”和“1”，重复操作可实现输出随机数序列。这样通过一次施加翻转脉冲电流，进行多通路的小电流测试便可以获得大量的高质量随机序列，从而显著提高了器件的集成度和使用寿命，降低了能源消耗。82.本发明所提供的真随机数发生器及产生真随机数的方法，利用电流的焦耳热作用驱动磁性层的磁矩发生随机翻转，一个翻转周期便可产生一个随机位，并且在撤去电流后磁矩仍能保持其状态，产生的随机位具有非易失性和可读性。设有自旋流抵消层，抵消了来自导电层的自旋轨道矩，克服了在自旋轨道耦合效应下的垂直磁化异质结器件的磁矩难以等概率发生向上和向下翻转的问题，产生随机数的稳定性更高。且相比于低势垒纳米磁体技术，通过施加微小电流主动控制磁矩翻转的时刻，通过调节电流脉冲宽度控制随机数生成的速率，更加具有主动性。83.进一步地，本发明在导电层上设有多个磁隧道结，在电流通路施加一定宽度和幅值的脉冲电流，其产生的焦耳热将克服磁隧道结中低势垒垂直纳米磁结构(第一磁性层)中磁矩的翻转势垒，电流通路上每个单元磁隧道结中的磁性层会独立得发生磁化翻转，由隧穿磁阻效应检测其产生的电阻值，其中高阻态为“1”，低阻态为“0”，这样可由一次施加电流脉冲产生多个随机数列，且每个磁隧道结克服相同势垒后的翻转状态随机，能显著提高器件的集成度、随机性和使用寿命，降低能源消耗。84.本发明所提供的真随机数发生器结构简单，器件尺寸小，能耗低，便于集成在各种便携设备上，具有很好的应用前景。85.图4示出了本发明的另一个实施例所提供的真随机数发生器的随机数发生模块的部分纵截面示意图，该部分对应于图1中a部分。与图3所示的a部分的第一磁隧道结mtj1不同的是，本实施例中的第一磁隧道结mtj1-a还包括盖帽层170。盖帽层170位于钉扎层160之上，用于保护其下各层。可选地，盖帽层170采用非铁导电金属材料制成，可选地，包括ta、ti或cu等。86.本实施例中，第三电极r位于盖帽层170上，即位于盖帽层170的远离钉扎层160的一端上。87.图5示出了本发明的另一个实施例所提供的真随机数发生器的随机数发生模块的部分纵截面示意图，该部分也对应于图1中a部分。与图4所示的结构不同的是，本实施例中的随机数发生模块还包括衬底180，其位于导电层110之下，可选地，该衬底包括硅基片或其他表面粗糙度低的材料。88.上述实施例中导电层110均示出为条形结构，可选地，第一磁性层120、自旋流抵消层130、绝缘势垒层140、第二磁性层150、钉扎层160和盖帽层170为截面形状相同的薄膜层(即均为条形)，当然，在本发明其他的实施例中，其也可以为其他形状。89.可选地，在衬底180上依次制备出导电层110、第一磁性层120、自旋流抵消层130、绝缘势垒层140、第二磁性层150、钉扎层160和盖帽层170，并通过刻蚀使第一磁性层120、自旋流抵消层130、绝缘势垒层140、第二磁性层150、钉扎层160和盖帽层170堆叠于条形的导电层110的中心区域。90.图6示出了本发明一实施例提供的利用上述真随机数发生器产生真随机数的方法，包括以下步骤s610和s620。91.s610：向第一电极和第二电极通入第一电流。92.其中，第一电流包括具有预设间隔的脉冲电流。93.s620：在预设间隔，向第一电极和第三电极通入第二电流，用于测量多个磁隧道结中每个磁隧道结的磁电阻，并根据磁电阻得到随机数序列。94.本发明提供的产生真随机数的方法简单、随机性好，具有很好的应用前景。95.图7示出了本发明一实施例提供的往真随机数发生器的随机数发生模块通入的周期性交替的第一电流和第二电流。其中，第一电流为高幅值脉冲电流，第二电流为低幅值脉冲电流。96.可选地，高幅值脉冲电流在一个脉冲周期p所产生的焦耳热大于第一磁性层120的磁矩发生随机翻转所需的能量。可选地，低幅值脉冲电流在一个脉冲周期p产生的焦耳热小于第一磁性层120的磁矩发生随机翻转所需的能量。在一个脉冲周期p之内，首先通入高幅值脉冲电流使第一磁性层120的磁矩克服翻转能量势垒发生垂直于交界面向上或向下的随机翻转，由于第一磁性层120的特性，第一磁性层120被磁化后，磁矩方向不会发生变化。到了第一电流的预设间隔后，即预设间隔时间内通入低幅值脉冲电流，以检测z轴方向上的各个磁隧道结的磁电阻。把不同的电阻值分别定义为逻辑“0”和“1”，重复操作可实现输出随机数序列。在下一个脉冲周期p内，通过通入高幅值脉冲电流使第一磁性层120再次被磁化，磁矩方向发生随机翻转，之后通过通入低幅值电流检测z轴方向上的各个磁隧道结的磁电阻，周期性重复操作后即可实现输出随机数序列。97.如前所述，在通入第一电流时，第一磁性层120的磁矩发生随机翻转，在两次脉冲之间或撤去脉冲电流的间歇期，可以通过检测磁隧道结的磁电阻得到随机数。因此，本发明提供的方法还可通过控制第一电流的脉冲周期，控制产生真随机数的速率。98.以上所述仅为本公开的示例实施例而已，并不用于限制本公开，尽管参照前述实施例对本公开进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。









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