室温工作的半导体超晶格高速真随机数发生器

A semiconductor weakly-coupled superlattice (SL) represents as an ideal one-dimensional nonlinear dynamical system with many degrees of freedom. Due to the fluctuations of the period, doping density, interface state, etc., spontaneous chaotic oscillations can be observed in weakly-coupled SLs, which can be eligibly applied in high speed true random number generators (RNGs). ..The project will focus on the realization of spontaneous chaotic oscillations of weakly-coupled SL under room temperature. Research work, which includes material design and growth, device fabrication and characterization, random bit extraction and optimization, is planed to be carried out. ..In order to improve the noise source performance and enhance the output rate and quality of the random bits, the following key science issues are to be solved in the project: ..1. Suppress the thermally-excited electron leakage and increase quantum confinement;.2. Increase the degree of freedom and shorten electron tunneling time; .3. Choose proper extraction method for random bits. ..In our design, GaAs/AlAs SL is replaced by GaAs/AlGaAs SL to obtain spontaneous chaotic oscillations at room temperature. Introduction of artificial randomness in the SL material, decreasing barrier width, random bit extraction by high-order differential or XOR methods, etc. would be employed and verified experimentally in this project. ..The target of the project is: understanding the mechanism of spontaneous chaotic oscillations in weakly-coupled SL; realizing spontaneous chaotic oscillations at room temperature; obtaining physical random number generator working at room temperature. The bandwidth of frequency the spectrum should reach 4 GHz or above, and the output rate should reach 1 Gbit/s or above. The output rate of true random number can be increased by 2 orders. All random number streams are able to pass NIST, Diehard test.??

半导体弱耦合超晶格是一个理想的多自由度动态非线性系统。由于晶格周期、调制掺杂、晶格界面态等涨落因素的存在，它可以产生频谱较宽的混沌振荡。这种物理现象可以应用在高速真随机数发生器中。我们拟开展材料设计和生长、器件制作和分析测试、随机数提取和优化等工作，通过使用GaAs/AlGaAs材料代替GaAs/AlAs超晶格等原始创新手段，解决抑制热激发载流子，提高量子限制；增加超晶格自由度，缩短电子隧穿时间；选取合理的随机数提取方法，充分利用自发混沌特性产生高速高质随机数等关键科学问题，深入理解半导体超晶格的自发混沌振荡机制，实现弱耦合超晶格在室温环境下的自发混沌振荡，研制出室温工作的超晶格真随机数发生器。带宽达到4 GHz以上，随机数序列输出速率达1 Gbit/s以上,将现有真随机数发生器的速度提高两个数量级。随机数能够通过NIST, Diehard等通用统计标准检验。

项目的背景：.随机噪声信号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，如数据加密、密匙管理、安全协议、身份认证等领域，它们是制密系统和各类密码保密系统中不可缺少的关键部件。其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。噪声源是随机数产生器的核心之一，其带宽和质量是产生随机数质量的关键。半导体弱耦合超晶格是一个理想的多自由度变量非线性混沌振荡系统。由于晶格周期、调制掺杂、晶格界面态等涨落因素的存在，它可以产生频谱较宽的混沌振荡，是迄今为止固体器件中能实现的最高带宽的噪声源。然而目前半导体超晶格的自发混沌振荡仅存在于液氮温度，并不能实现室温的混沌振荡，这极大的限制了其应用范围。.主要研究内容：.一、通过理论计算超晶格的晶格结构，在保持超晶格弱耦合性质的情况下，提高量子限制效应，抑制室温条件下的热激发电子泄露。使用MBE设备完成GaAs/Al0.45Ga0.55As超晶格材料生长。二、解决超晶格器件制作的关键工艺，使用半导体微纳加工手段，制得不同台面面积和形状器件，使用高精度直流电压源和半导体参数分析仪对超晶格器件进行I-V特性测试，获得室温下的I-V特性曲线。在自行搭建的系统中测试超晶格期器件混沌振荡的时域特性和频域特性，室温下的混沌振荡现象在示波器上表现为振荡波形随时间不规则变化，频率在较宽范围内分布。三、采用直接比较阈值，延时异或、多路异或、延时差分、多路差分等多种手段提取随机数。使用美国随机数标准测试软件NIST分析随机数质量并进行优化。.重要结果和关键数据.采用合适的超晶格结构，极大的减弱了材料的热电子泄露。优化了器件制作的关键工艺，在室温下检测到器件的I-V特性曲线存在负微分电导区，通过示波器和频谱仪测量到器件自发混沌振荡现象。对采集到的数据进行4阶差分算法，取5位最低有效位，随机数生成速率达80Gbit/S，生成的随机数通过NIST检测。.科学意义.本项目成功的研制出半导体超晶格真随机数发生器，其产生的随机数能通过NIST测试，随机数的生成速率达80Gbit/S。这种半导体弱耦合超晶格器件是一个全固态电子器件，其带宽高、功耗低、体积小、速度快，可以满足保密通信、制密解密、密匙管理、身份验证等领域噪声源的需求，促进保密产业的进步。