CN102570978A

CN102570978A - 随机噪声源及其制作方法

Info

Publication number: CN102570978A
Application number: CN2012100307059A
Authority: CN
Inventors: 黄寓洋; 张耀辉; 李文
Original assignee: Suzhou Institute of Nano Tech and Nano Bionics of CAS
Current assignee: Suzhou Institute of Nano Tech and Nano Bionics of CAS
Priority date: 2012-02-13
Filing date: 2012-02-13
Publication date: 2012-07-11

Abstract

本发明涉及一种随机噪声源及其制作方法，该随机噪声源包括固定在微波印刷电路板上并与之电连接的二端半导体超晶格器件。该二端半导体超晶格器件包括：半绝缘半导体衬底，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，以及第一及第二接触电极。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和第二半导体接触层分别掺杂有n型杂质。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。

Description

随机噪声源及其制作方法

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***和各类密码保密***中不可缺少的关键部件。它的工作状态直接影响制密***和各类密码保密***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***。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***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***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。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。

附图说明

图1A-1E是本发明利用半导体微加工制作半导体超晶格器件的过程示意图；

图2是本发明的一种随机噪声源的结构示意图；

图3是图1A中半导体超晶格材料结构的一种典型结构举例示意图；

图4是本发明的一种随机噪声源信号测试电路示意图。

具体实施方式

图1A-1E是本发明利用半导体微加工制作半导体超晶格器件的过程示意图。请参阅图1A，首先提供半导体超晶格材料结构10，其方法例如是利用目前主流的分子束外延(Molecular Beam Epitaxy，MBE)、金属有机化学气相沉积(Metal Organic Chemical Vapor Deposition，MOCVD)等外延生长技术以及掺杂技术在半绝缘半导体衬底11上形成外延生长层。在此，外延生长层包括依序形成在半绝缘半导体衬底11上的第一半导体接触层13、半导体超晶格层结构15以及第二半导体接触层17。本实施例中，外延生长层的材料使用III-V族或者II-VI族化合物半导体材料，例如GaAs/AlAs，GaAs/AlGaAs，GaAs/InGaAs，InGaAs/InP等材料体系；半导体超晶格层结构15主要包括周期排列的势阱层和势垒层而形成多个层叠周期，单个层叠周期一般在30nm(纳米)至100nm范围，一般不掺杂或者弱掺杂。第一、第二半导体接触层13、17进行n型高掺杂，以便于后续形成低阻的欧姆接触。通常，外延生长后的结构为半导体晶圆外延片，因此需要进行切片以获得具有合适尺寸的半导体超晶格材料结构10；而单个半导体超晶格材料结构的尺寸范围例如在10μm(微米)至100μm范围。此外，在切片后还通常会使用丙酮、异丙醇和去离子水清洗半导体超晶格材料结构10。

接着，请参阅图1B，对半导体超晶格材料结构10进行台面蚀刻，具体方法可为：使用干法蚀刻或者湿法蚀刻方式刻蚀第二半导体接触层17及半导体超晶格层结构15直至第一半导体接触层13后停止，以致于蚀刻后的第二半导体接触层17a及半导体超晶格层结构15a位于第一半导体接触层13的部分区域上，且第一半导体接触层13的暴露区域形成台面130。在图1B中，台面130位于蚀刻后的第二半导体接触层17a及半导体超晶格层结构15a的两侧。干法蚀刻例如是反应离子蚀刻(Reactive Ion Etching，RIE)、电感耦合等离子体蚀刻(Inductively Coupled Plasma，ICP)或离子束蚀刻(Ion Beam Etching，IBE)等。

请参阅图1C，沉积钝化层18以覆盖第一半导体接触层13、半导体超晶格层结构15a及第二半导体接触层17a。具体地，可以使用PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，等离子体增强化学气相沉积）来形成钝化层18。钝化层18例如由100nm至2000nm厚度的氧化硅(SiO2)或者氮化硅(SiNx)等介电材料组成。

请参阅图1D，进行钝化层开孔步骤，以在钝化层18上形成接触孔18a、18b。其中，钝化层开孔可使用干法(例如RIE等)或者湿法蚀刻方式实现，接触孔18a形成于第一半导体接触层13形成的台面130上且位于半导体超晶格层结构15a及第二半导体接触层17a的一侧，接触孔18b形成于第二半导体接触层17a上。

请参阅图1E，进行金属沉积步骤，具体实施方法可为使用电子束蒸发、溅射或者热蒸发形成金属层，且金属层例如由AuGe、Ni、Au及其合金组成。在图1E中，金属层包括第一部分19a及第二部分19b；其中，第一部分19a沉积在接触孔18a内，第二部分19b沉积在接触孔18b和部分钝化层18上而与第一半导体接触层13通过钝化层18间隔设置。

最后，对图1E中的结构进行退火步骤，以快速退火使金属层的第一部分19a和第二部分19b分别与第一半导体接触层13和第二半导体接触层17a形成欧姆接触而制得第一、第二接触电极121及123(请参见图2)，并且第二接触电极123通过钝化层18与第一半导体接触层13间隔设置而相互电绝缘(也即使用介质上走线的方法实现小台面器件电极的引出)；从而可获得本实施例中的二端半导体超晶格器件120(如图2所示)。退火温度例如在350摄氏度至450摄氏度，退火时间例如为10至200秒。

请参阅图2，是本发明的一种随机噪声源的结构示意图。在图2中，半导体超晶格器件120例如利用银浆固定在微波印刷电路板110，并用压焊机引线将第一、第二接触电极121、123分别引出，实现信号的输出；进而获得封装好的随机噪声源100。在此，随机噪声源100的封装形式可以采用DIP，QFP等封装形式。

请参阅图3，为图1A中半导体超晶格材料结构10的一种典型结构举例示意图。在图3中，半导体超晶格材料结构10包括：半绝缘GaAs衬底11，依序形成在半绝缘GaAs衬底11上的n型掺杂GaAs第一接触层13、未掺杂GaAs下隔离层16a、GaAs/AlAs超晶格层结构15、未掺杂GaAs上隔离层16b及 n型掺杂GaAs第二接触层17。其中，n型Si掺杂GaAs第一接触层13包括1000nm掺杂浓度为2×10¹⁸cm^-3的n型硅掺杂GaAs层和10nm掺杂浓度为10¹⁷cm^-3量级的n型硅掺杂GaAs层。未掺杂GaAs下隔离层16a为4nm未掺杂的GaAs层，以将GaAs第一接触层13与GaAs/AlAs超晶格层结构15隔开来降低载流子的泄露。GaAs/AlAs超晶格层结构15包括M个(例如40个)层叠周期，单个层叠周期依序包括层叠的4nm AlAs势垒层151、2nm GaAs第一界面改善层153、5nm 掺杂浓度为3×10¹⁷cm^-3的n型硅掺杂GaAs势阱层155及2nm GaAs第二界面改善层157；其中第一、第二界面改善层153、157可用于改善势阱的界面质量。未掺杂GaAs上隔离层16b为4nm不掺杂的GaAs层，以将GaAs第二接触层17与GaAs/AlAs超晶格层结构15隔开来降低载流子的泄露。n型掺杂GaAs第二接触层17包括10nm掺杂浓度为10¹⁷cm^-3量级的n型硅掺杂GaAs层和500nm掺杂浓度为2×10¹⁸cm^-3的n型硅掺杂GaAs层。需要说明的是，图3中的结构仅为本发明的半导体超晶格材料结构的结构举例，半导体超晶格材料结构10中的各个层的厚度、掺杂浓度以及上、下隔离层的有无可视实际应用的需要适当调整。

请参阅图4，为本发明的一种随机噪声源的信号测试电路示意图。在本发明实施例中，在制得随机噪声源100之后，可搭建如图4所示的信号测试电路对随机噪声源100输出的随机噪声信号进行分析，其中噪声信号分析包括对振荡信号进行时、频域分析两部分。在图4所示的信号测试电路中，测量连接线路均采用带SMA(Sub-Miniature Type A，微型A型)接头的50欧姆高频电缆线，带宽为20GHz以上；取样电阻200使用50欧姆的精密同轴负载，偏置电源使用Keithley 2612A电源，高频示波器300采用Agilent 86109B 50G高速采样示波器，高频示波器300和频谱分析仪400电性连接至取样电阻200和随机噪声源100之间的节点。通过这种测试架构，可以分析特定偏置电压下的超晶格固态自发混沌振荡特性。从实际测试结果来看：本发明上述实施例提供的随机噪声源100可以产生3dB带宽达2GHz的宽带噪声信号，其能够产生随机数的速度达1 Gbit/s。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明,任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内

Claims

1.一种随机噪声源，其特征在于，包括：

微波印刷电路板；以及

二端半导体超晶格器件，固定在该微波印刷电路板上，该二端半导体超晶格器件包括：

半绝缘半导体衬底；

第一半导体接触层，形成在该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，形成在该第一半导体接触层的部分区域上而使得该第一半导体接触层的暴露区域形成台面，并且该半导体超晶格层结构中的势阱层掺杂有n型杂质；

第二半导体接触层，形成在该半导体超晶格层结构上并掺杂有n型杂质；以及

第一接触电极和第二接触电极，分别形成在该第一半导体接触层形成的台面上以及该第二半导体接触层上并形成欧姆接触，且该第一接触电极和该第二接触电极电性连接至该微波电路板；

其中，该第一半导体接触层、该半导体超晶格层结构和该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。

2.如权利要求1所述的随机噪声源，其特征在于，该n型杂质为硅。

3.如权利要求1所述的随机噪声源，其特征在于，该半导体超晶格层结构包括多个层叠周期，每个层叠周期依次包括势垒层、第一界面改善层、势阱层以及第二界面改善层。

4.如权利要求3所述的随机噪声源，其特征在于，单个该层叠周期的厚度范围为30纳米至100纳米。

5.如权利要求1所述的随机噪声源，其特征在于，该第一半导体接触层和该第二半导体接触层中的每一个包括多个具有不同n型杂质掺杂浓度的化合物半导体层。

6.如权利要求1所述的随机噪声源，其特征在于，该二端半导体超晶格器件进一步包括：

在该第一半导体接触层与该半导体超晶格层结构之间以及该第二半导体接触层与该半导体超晶格层结构之间分别形成的化合物半导体层，以将该第一半导体接触层及该第二半导体接触层与该半导体超晶格层结构隔开，降低载流子的泄露。

7.如权利要求1所述的随机噪声源，其特征在于，该第二接触电极延伸至该第一半导体接触层形成的台面上未形成该第一接触电极的一侧，并通过钝化层与该第一半导体接触层间隔设置。

8.一种随机噪声源的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤(1)：提供半导体超晶格材料结构，该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该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，该第一半导体接触层、该半导体超晶格层结构和该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，并且该第一半导体接触层、该半导体超晶格层结构中的势阱层及该第二半导体接触层掺杂有n型杂质硅；

步骤(2)：依序对该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

步骤(3)：利用银浆将该二端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该半导体超晶格器件中的多个接触电极与该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。

9.如权利要求8所述的随机噪声源的制作方法，其特征在于，在步骤(2)之前，还包括步骤：

使用丙酮、异丙醇和去离子水清洗该半导体超晶格材料结构。

10.如权利要求8所述的随机噪声源的制作方法，其特征在于，退火温度为350摄氏度至450摄氏度，退火时间为10秒至200秒。