專利名稱：隨機噪聲源及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及信號處理和密碼技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種隨機噪聲源及其制作方法。
技術(shù)背景
隨機噪聲源技術(shù)是密碼技術(shù)的一個重要分支。隨機噪聲源和隨機數(shù)產(chǎn)生器應(yīng)用范圍十分廣泛，是制密系統(tǒng)和各類密碼保密系統(tǒng)中不可缺少的關(guān)鍵部件。它的工作狀態(tài)直接影響制密系統(tǒng)和各類密碼保密系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，所產(chǎn)生的隨機序列的質(zhì)量關(guān)系到密碼裝備對信息的保護強度。
隨機噪聲源是隨機數(shù)產(chǎn)生器的核心。真隨機性、高質(zhì)量、高帶寬是高質(zhì)量噪聲源的三個基本要求。首先，高質(zhì)量的噪聲源，要求信號是真隨機的。理論上，通過數(shù)字電路或者計算機算法產(chǎn)生的隨機數(shù)是偽隨機的，而真正隨機的噪聲信號只能來源于自然界的各種自發(fā)混沌現(xiàn)象，如熱噪聲、半導(dǎo)體二極管在雪崩擊穿過程中所產(chǎn)生的復(fù)合噪聲，或者采用 MOS(Metal-Oxide-Semiconductor，金屬氧化物半導(dǎo)體)結(jié)構(gòu)界面缺陷的隨機噪聲等，這些噪聲源的共同局限是帶寬太窄(不超過5MHz)。其次，噪聲信號的質(zhì)量要滿足隨機性的要求， 能夠通過各種參數(shù)測試，如頻數(shù)、序列、撲克、游程和自相關(guān)檢驗等。這要求混沌信號來自于大自由度變量的非線性混沌振蕩系統(tǒng)。大自由度變量之間的強非線性耦合會產(chǎn)生時空混沌 (Spatiotemporal Chaos)振蕩，這將極大地增加混沌系統(tǒng)復(fù)雜性，使不同空域的吸引子之間的相互耦合，從而讓時空混沌振蕩的軌跡幾乎充滿整個相空間，極大地提高噪聲及隨機數(shù)質(zhì)量。最后，在滿足真隨機性和高質(zhì)量的前提下，要求噪聲源具有盡可能高的帶寬。噪聲源的帶寬決定了產(chǎn)生隨機數(shù)能夠達到的速度。從理論上說，雖然使用拋硬幣的方法也能夠產(chǎn)生高質(zhì)量的隨機數(shù)，但是這種方法速度很慢，滿足不了系統(tǒng)應(yīng)用的需求。隨著目前信號處理速度、傳輸速度和傳輸容量的大幅度提高，信息技術(shù)對隨機數(shù)產(chǎn)生器的速度和質(zhì)量不斷提出新的挑戰(zhàn)和要求?，F(xiàn)有的數(shù)字信號處理器的速度可以達到2GHz以上，保密通訊中用的隨機數(shù)產(chǎn)生器的速度應(yīng)該同步匹配。
目前，利用自然界的物理現(xiàn)象產(chǎn)生隨機數(shù)的典型方法有對電路或電阻熱噪聲的直接放大、基于振蕩器采樣的隨機數(shù)發(fā)生器、通過構(gòu)造混沌電路產(chǎn)生隨機數(shù)等。這些產(chǎn)生真隨機數(shù)的方法，由于受到物理源電子器件帶寬的限制，產(chǎn)生的隨機數(shù)速率均在Mbit/s量級或以下，速度只能滿足低端需要。隨著現(xiàn)在信息技術(shù)的不斷發(fā)展，這種差距將愈發(fā)明顯。為了實現(xiàn)高速的隨機數(shù)產(chǎn)生器，迫切需要尋找新的高質(zhì)量、高帶寬的噪聲源。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種隨機噪聲源及其制作方法，以獲得具有真隨機性、高質(zhì)量及高帶寬等優(yōu)點的隨機噪聲源。
具體地，本發(fā)明提供一種隨機噪聲源，包括微波印刷電路板以及二端半導(dǎo)體超晶格器件。其中，半導(dǎo)體超晶格器件固定在微波印刷電路板上，并且包括半絕緣半導(dǎo)體襯底、 第一半導(dǎo)體接觸層、半導(dǎo)體超晶格層結(jié)構(gòu)、第二半導(dǎo)體接觸層以及第一接觸電極和第二接觸電極。第一半導(dǎo)體接觸層形成在半絕緣半導(dǎo)體襯底上并摻雜有η型雜質(zhì)；半導(dǎo)體超晶格層結(jié)構(gòu)形成在第一半導(dǎo)體接觸層的部分區(qū)域上而使得第一半導(dǎo)體接觸層的暴露區(qū)域形成臺面，并且半導(dǎo)體超晶格層結(jié)構(gòu)中的勢阱層摻雜有η型雜質(zhì)(例如硅)；第二半導(dǎo)體接觸層形成在半導(dǎo)體超晶格層結(jié)構(gòu)上并摻雜有η型雜質(zhì)；第一接觸電極和第二接觸電極分別形成在第一半導(dǎo)體接觸層形成的臺面上以及第二半導(dǎo)體接觸層上并形成歐姆接觸，且第一接觸電極和第二接觸電極電性連接至微波電路板。
另外，本發(fā)明還提供一種隨機噪聲源的制作方法，包括以下步驟(a)提供半導(dǎo)體超晶格材料結(jié)構(gòu)，其中半導(dǎo)體超晶格材料結(jié)構(gòu)包括半絕緣半導(dǎo)體襯底以及依序外延生長在半絕緣半導(dǎo)體襯底上的第一半導(dǎo)體接觸層、半導(dǎo)體超晶格層結(jié)構(gòu)及第二半導(dǎo)體接觸層，第一半導(dǎo)體接觸層、半導(dǎo)體超晶格層結(jié)構(gòu)和第二半導(dǎo)體接觸層的材料為III- V族或II -VI族化合物半導(dǎo)體材料，并且第一半導(dǎo)體接觸層、半導(dǎo)體超晶格層結(jié)構(gòu)中的勢阱層及第二半導(dǎo)體接觸層摻雜有η型雜質(zhì)硅；(b)依序?qū)Π雽?dǎo)體超晶格材料結(jié)構(gòu)進行臺面蝕刻、鈍化層沉積、鈍化層開孔、金屬沉積以及退火形成歐姆接觸以獲取具有固態(tài)自發(fā)混沌振蕩特性的二端半導(dǎo)體超晶格器件；以及(c)利用銀漿將半導(dǎo)體超晶格器件固定在微波印刷電路板上并通過引線將半導(dǎo)體超晶格器件中的多個接觸電極與微波印刷電路板形成電性連接以制得封裝好的隨機噪聲源。
本發(fā)明利用半導(dǎo)體超晶格器件的固態(tài)自發(fā)混沌振蕩特性，可實現(xiàn)真隨機性、高質(zhì)量及高帶寬的隨機噪聲源，實現(xiàn)帶寬GHz以上的平坦寬帶混沌信號的輸出；因而可獲得高質(zhì)量的隨機數(shù)序列，應(yīng)用于數(shù)據(jù)加密、密鑰管理、安全協(xié)議、數(shù)字簽名、身份認證等領(lǐng)域。
上述說明僅是本發(fā)明技術(shù)方案的概述，為了能夠更清楚了解本發(fā)明的技術(shù)手段， 而可依照說明書的內(nèi)容予以實施，并且為了讓本發(fā)明的上述和其他目的、特征和優(yōu)點能夠更明顯易懂，以下特舉較佳實施例，并配合附圖，詳細說明如下。


圖1A-1E是本發(fā)明利用半導(dǎo)體微加工制作半導(dǎo)體超晶格器件的過程示意圖； 圖2是本發(fā)明的一種隨機噪聲源的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是圖IA中半導(dǎo)體超晶格材料結(jié)構(gòu)的一種典型結(jié)構(gòu)舉例示意圖； 圖4是本發(fā)明的一種隨機噪聲源信號測試電路示意圖。
具體實施方式
圖1A-1E是本發(fā)明利用半導(dǎo)體微加工制作半導(dǎo)體超晶格器件的過程示意圖。請參閱圖1A，首先提供半導(dǎo)體超晶格材料結(jié)構(gòu)10，其方法例如是利用目前主流的分子束外延 (Molecular Beam Epitaxy，MBE)、金屬有機化學(xué)氣相沉積(Metal Organic Chemical Vapor Deposition, M0CVD)等外延生長技術(shù)以及摻雜技術(shù)在半絕緣半導(dǎo)體襯底11上形成外延生長層。在此，外延生長層包括依序形成在半絕緣半導(dǎo)體襯底11上的第一半導(dǎo)體接觸層13、 半導(dǎo)體超晶格層結(jié)構(gòu)15以及第二半導(dǎo)體接觸層17。本實施例中，外延生長層的材料使用 III-V 族或者 II-VI 族化合物半導(dǎo)體材料，例如 GaAs/AlAs，GaAs/AlGaAs, GaAs/InGaAs, InGaAs/InP等材料體系；半導(dǎo)體超晶格層結(jié)構(gòu)15主要包括周期排列的勢阱層和勢壘層而形成多個層疊周期，單個層疊周期一般在30nm(納米)至IOOnm范圍，一般不摻雜或者弱摻雜。第一、第二半導(dǎo)體接觸層13、17進行η型高摻雜，以便于后續(xù)形成低阻的歐姆接觸。通常，外延生長后的結(jié)構(gòu)為半導(dǎo)體晶圓外延片，因此需要進行切片以獲得具有合適尺寸的半導(dǎo)體超晶格材料結(jié)構(gòu)10 ；而單個半導(dǎo)體超晶格材料結(jié)構(gòu)的尺寸范圍例如在1(^!11(微米) 至IOOym范圍。此外，在切片后還通常會使用丙酮、異丙醇和去離子水清洗半導(dǎo)體超晶格材料結(jié)構(gòu)10。
接著，請參閱圖1Β，對半導(dǎo)體超晶格材料結(jié)構(gòu)10進行臺面蝕刻，具體方法可為使用干法蝕刻或者濕法蝕刻方式刻蝕第二半導(dǎo)體接觸層17及半導(dǎo)體超晶格層結(jié)構(gòu)15直至第一半導(dǎo)體接觸層13后停止，以致于蝕刻后的第二半導(dǎo)體接觸層17a及半導(dǎo)體超晶格層結(jié)構(gòu) 1 位于第一半導(dǎo)體接觸層13的部分區(qū)域上，且第一半導(dǎo)體接觸層13的暴露區(qū)域形成臺面130。在圖IB中，臺面130位于蝕刻后的第二半導(dǎo)體接觸層17a及半導(dǎo)體超晶格層結(jié)構(gòu) 15a的兩側(cè)。干法蝕刻例如是反應(yīng)離子蝕刻(Reactive Ion Etching, RIE)、電感耦合等離子體蝕亥 Ij (Inductively Coupled Plasma, I CP)或離子束蝕亥 Ij (Ion Beam Etching, IBE)寸。
請參閱圖1C，沉積鈍化層18以覆蓋第一半導(dǎo)體接觸層13、半導(dǎo)體超晶格層結(jié)構(gòu) 15a及第二半導(dǎo)體接觸層17a。具體地，可以使用PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition,等離子體增強化學(xué)氣相沉積)來形成鈍化層18。鈍化層18例如由IOOnm至 2000nm厚度的氧化硅(Sit)》或者氮化硅(SiNx)等介電材料組成。
請參閱圖1D，進行鈍化層開孔步驟，以在鈍化層18上形成接觸孔18a、18b。其中， 鈍化層開孔可使用干法(例如RIE等)或者濕法蝕刻方式實現(xiàn)，接觸孔18a形成于第一半導(dǎo)體接觸層13形成的臺面130上且位于半導(dǎo)體超晶格層結(jié)構(gòu)1 及第二半導(dǎo)體接觸層17a 的一側(cè)，接觸孔18b形成于第二半導(dǎo)體接觸層17a上。
請參閱圖1E，進行金屬沉積步驟，具體實施方法可為使用電子束蒸發(fā)、濺射或者熱蒸發(fā)形成金屬層，且金屬層例如由AuGe、Ni、Au及其合金組成。在圖IE中，金屬層包括第一部分19a及第二部分19b ；其中，第一部分19a沉積在接觸孔18a內(nèi)，第二部分19b沉積在接觸孔18b和部分鈍化層18上而與第一半導(dǎo)體接觸層13通過鈍化層18間隔設(shè)置。
最后，對圖IE中的結(jié)構(gòu)進行退火步驟，以快速退火使金屬層的第一部分19a和第二部分19b分別與第一半導(dǎo)體接觸層13和第二半導(dǎo)體接觸層17a形成歐姆接觸而制得第一、第二接觸電極121及123 (請參見圖2、，并且第二接觸電極123通過鈍化層18與第一半導(dǎo)體接觸層13間隔設(shè)置而相互電絕緣(也即使用介質(zhì)上走線的方法實現(xiàn)小臺面器件電極的引出)；從而可獲得本實施例中的二端半導(dǎo)體超晶格器件120(如圖2所示)。退火溫度例如在350攝氏度至450攝氏度，退火時間例如為10至200秒。
請參閱圖2，是本發(fā)明的一種隨機噪聲源的結(jié)構(gòu)示意圖。在圖2中，半導(dǎo)體超晶格器件120例如利用銀漿固定在微波印刷電路板110，并用壓焊機引線將第一、第二接觸電極 121、123分別引出，實現(xiàn)信號的輸出；進而獲得封裝好的隨機噪聲源100。在此，隨機噪聲源 100的封裝形式可以采用DIP，QFP等封裝形式。
請參閱圖3，為圖IA中半導(dǎo)體超晶格材料結(jié)構(gòu)10的一種典型結(jié)構(gòu)舉例示意圖。在圖3中，半導(dǎo)體超晶格材料結(jié)構(gòu)10包括半絕緣GaAs襯底11，依序形成在半絕緣GaAs襯底11上的η型摻雜GaAs第一接觸層13、未摻雜GaAs下隔離層16a、GaAs/AlAs超晶格層結(jié)構(gòu)15、未摻雜GaAs上隔離層16b及η型摻雜GaAs第二接觸層17。其中，η型Si摻雜GaAs第一接觸層13包括IOOOnm摻雜濃度為2 X IO18CnT3的η型硅摻雜GaAs層和IOnm摻雜濃度為IO17CnT3量級的η型硅摻雜GaAs層。未摻雜GaAs下隔離層16a為4nm未摻雜的 GaAs層，以將GaAs第一接觸層13與GaAs/AlAs超晶格層結(jié)構(gòu)15隔開來降低載流子的泄露。GaAs/AlAs超晶格層結(jié)構(gòu)15包括M個(例如40個)層疊周期，單個層疊周期依序包括層疊的4nm AlAs勢壘層151、2nm GaAs第一界面改善層153、5nm摻雜濃度為3 X IO17CnT3的 η型硅摻雜GaAs勢阱層155及2nm GaAs第二界面改善層157 ；其中第一、第二界面改善層 153、157可用于改善勢阱的界面質(zhì)量。未摻雜GaAs上隔離層16b為4nm不摻雜的GaAs層， 以將GaAs第二接觸層17與GaAs/AlAs超晶格層結(jié)構(gòu)15隔開來降低載流子的泄露。η型摻雜GaAs第二接觸層17包括IOnm摻雜濃度為IO17CnT3量級的η型硅摻雜GaAs層和500nm 摻雜濃度為2X IO18CnT3的η型硅摻雜GaAs層。需要說明的是，圖3中的結(jié)構(gòu)僅為本發(fā)明的半導(dǎo)體超晶格材料結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)舉例，半導(dǎo)體超晶格材料結(jié)構(gòu)10中的各個層的厚度、摻雜濃度以及上、下隔離層的有無可視實際應(yīng)用的需要適當(dāng)調(diào)整。
請參閱圖4，為本發(fā)明的一種隨機噪聲源的信號測試電路示意圖。在本發(fā)明實施例中，在制得隨機噪聲源100之后，可搭建如圖4所示的信號測試電路對隨機噪聲源100輸出的隨機噪聲信號進行分析，其中噪聲信號分析包括對振蕩信號進行時、頻域分析兩部分。 在圖4所示的信號測試電路中，測量連接線路均采用帶SMA(Sub-Miniature Type A，微型A 型)接頭的50歐姆高頻電纜線，帶寬為20GHz以上；取樣電阻200使用50歐姆的精密同軸負載，偏置電源使用Keithley 2612A電源，高頻示波器300采用Agilent 86109B 50G高速采樣示波器，高頻示波器300和頻譜分析儀400電性連接至取樣電阻200和隨機噪聲源100 之間的節(jié)點。通過這種測試架構(gòu)，可以分析特定偏置電壓下的超晶格固態(tài)自發(fā)混沌振蕩特性。從實際測試結(jié)果來看本發(fā)明上述實施例提供的隨機噪聲源100可以產(chǎn)生3dB帶寬達 2GHz的寬帶噪聲信號，其能夠產(chǎn)生隨機數(shù)的速度達1 (ibit/s。
以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實施例而已，并非對本發(fā)明作任何形式上的限制，雖然本發(fā)明已以較佳實施例揭露如上，然而并非用以限定本發(fā)明，任何熟悉本專業(yè)的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明技術(shù)方案范圍內(nèi)，當(dāng)可利用上述揭示的技術(shù)內(nèi)容做出些許更動或修飾為等同變化的等效實施例，但凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實質(zhì)對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案的范圍內(nèi)
權(quán)利要求
1.一種隨機噪聲源，其特征在于，包括微波印刷電路板；以及二端半導(dǎo)體超晶格器件，固定在該微波印刷電路板上，該二端半導(dǎo)體超晶格器件包括半絕緣半導(dǎo)體襯底；第一半導(dǎo)體接觸層，形成在該半絕緣半導(dǎo)體襯底上并摻雜有η型雜質(zhì)；半導(dǎo)體超晶格層結(jié)構(gòu)，形成在該第一半導(dǎo)體接觸層的部分區(qū)域上而使得該第一半導(dǎo)體接觸層的暴露區(qū)域形成臺面，并且該半導(dǎo)體超晶格層結(jié)構(gòu)中的勢阱層摻雜有η型雜質(zhì)；第二半導(dǎo)體接觸層，形成在該半導(dǎo)體超晶格層結(jié)構(gòu)上并摻雜有η型雜質(zhì)；以及第一接觸電極和第二接觸電極，分別形成在該第一半導(dǎo)體接觸層形成的臺面上以及該第二半導(dǎo)體接觸層上并形成歐姆接觸，且該第一接觸電極和該第二接觸電極電性連接至該微波電路板；其中，該第一半導(dǎo)體接觸層、該半導(dǎo)體超晶格層結(jié)構(gòu)和該第二半導(dǎo)體接觸層的材料為III- V族或II -VI族化合物半導(dǎo)體材料。
2.如權(quán)利要求1所述的隨機噪聲源，其特征在于，該η型雜質(zhì)為硅。
3.如權(quán)利要求1所述的隨機噪聲源，其特征在于，該半導(dǎo)體超晶格層結(jié)構(gòu)包括多個層疊周期，每個層疊周期依次包括勢壘層、第一界面改善層、勢阱層以及第二界面改善層。
4.如權(quán)利要求3所述的隨機噪聲源，其特征在于，單個該層疊周期的厚度范圍為30納米至100納米。
5.如權(quán)利要求1所述的隨機噪聲源，其特征在于，該第一半導(dǎo)體接觸層和該第二半導(dǎo)體接觸層中的每一個包括多個具有不同η型雜質(zhì)摻雜濃度的化合物半導(dǎo)體層。
6.如權(quán)利要求1所述的隨機噪聲源，其特征在于，該二端半導(dǎo)體超晶格器件進一步包括在該第一半導(dǎo)體接觸層與該半導(dǎo)體超晶格層結(jié)構(gòu)之間以及該第二半導(dǎo)體接觸層與該半導(dǎo)體超晶格層結(jié)構(gòu)之間分別形成的化合物半導(dǎo)體層，以將該第一半導(dǎo)體接觸層及該第二半導(dǎo)體接觸層與該半導(dǎo)體超晶格層結(jié)構(gòu)隔開，降低載流子的泄露。
7.如權(quán)利要求1所述的隨機噪聲源，其特征在于，該第二接觸電極延伸至該第一半導(dǎo)體接觸層形成的臺面上未形成該第一接觸電極的一側(cè)，并通過鈍化層與該第一半導(dǎo)體接觸層間隔設(shè)置。
8.一種隨機噪聲源的制作方法，其特征在于，包括以下步驟步驟(1)提供半導(dǎo)體超晶格材料結(jié)構(gòu)，該半導(dǎo)體超晶格材料結(jié)構(gòu)包括半絕緣半導(dǎo)體襯底以及依序外延生長在該半絕緣半導(dǎo)體襯底上的第一半導(dǎo)體接觸層、半導(dǎo)體超晶格層結(jié)構(gòu)及第二半導(dǎo)體接觸層，該第一半導(dǎo)體接觸層、該半導(dǎo)體超晶格層結(jié)構(gòu)和該第二半導(dǎo)體接觸層的材料為III- V族或II -VI族化合物半導(dǎo)體材料，并且該第一半導(dǎo)體接觸層、該半導(dǎo)體超晶格層結(jié)構(gòu)中的勢阱層及該第二半導(dǎo)體接觸層摻雜有η型雜質(zhì)硅；步驟O)依序?qū)υ摪雽?dǎo)體超晶格材料結(jié)構(gòu)進行臺面蝕刻、鈍化層沉積、鈍化層開孔、金屬沉積以及退火形成歐姆接觸以獲取具有固態(tài)自發(fā)混沌振蕩特性的二端半導(dǎo)體超晶格器件；以及步驟(3)利用銀漿將該二端半導(dǎo)體超晶格器件固定在微波印刷電路板上并通過引線將該半導(dǎo)體超晶格器件中的多個接觸電極與該微波印刷電路板形成電性連接以制得封裝好的隨機噪聲源。
9.如權(quán)利要求8所述的隨機噪聲源的制作方法，其特征在于，在步驟(2)之前，還包括步驟使用丙酮、異丙醇和去離子水清洗該半導(dǎo)體超晶格材料結(jié)構(gòu)。
10.如權(quán)利要求8所述的隨機噪聲源的制作方法，其特征在于，退火溫度為350攝氏度至450攝氏度，退火時間為10秒至200秒。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種隨機噪聲源及其制作方法，該隨機噪聲源包括固定在微波印刷電路板上并與之電連接的二端半導(dǎo)體超晶格器件。該二端半導(dǎo)體超晶格器件包括半絕緣半導(dǎo)體襯底，依序外延生長在半絕緣半導(dǎo)體襯底上的第一半導(dǎo)體接觸層、半導(dǎo)體超晶格層結(jié)構(gòu)及第二半導(dǎo)體接觸層，以及第一及第二接觸電極。第一半導(dǎo)體接觸層、半導(dǎo)體超晶格層結(jié)構(gòu)和第二半導(dǎo)體接觸層的材料為Ⅲ-Ⅴ族或Ⅱ-Ⅵ族化合物半導(dǎo)體材料，并且第一半導(dǎo)體接觸層、半導(dǎo)體超晶格層結(jié)構(gòu)中的勢阱層和第二半導(dǎo)體接觸層分別摻雜有n型雜質(zhì)。本發(fā)明利用半導(dǎo)體超晶格器件的固態(tài)自發(fā)混沌振蕩特性，可實現(xiàn)真隨機性、高質(zhì)量及高帶寬的隨機噪聲源，實現(xiàn)帶寬GHz以上的平坦寬帶混沌信號的輸出。
文檔編號H03B29/00GK102570978SQ20121003070
公開日2012年7月11日 申請日期2012年2月13日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月13日
發(fā)明者張耀輝, 李文, 黃寓洋 申請人:中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所