真随机数发生器及产生真随机数的方法

摘要

本发明公开了一种包括多层膜结构的真随机数发生器，所述多层膜结构包括：导电层，配置成通入第一电流；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，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；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。本发明所提供的真随机数发生器，通过增加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。

说明书

技术领域

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

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(Pseudo Random Number Generator，PRNG)和真随机数发生器(True Random Number Generator，TRNG)。其中，伪随机数发生器利用软件算法生成随机数，例如使用编程语言计算推导生成随机数，具有可以预测的规律性和确定性。而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。目前，计算机中央处理器(CPU)内置的真随机数发生器多以热噪声为熵源，由于需要屏蔽非随机噪声(如电源噪声)和设计随机噪声的低通放大电路，占用了较多的电路面积，并造成了能量消耗，而且单个真随机数发生器产生随机数的效率远远不能满足需求，因此常用真随机数发生器和伪随机数发生器组合使用，这样又造成了安全性的降低。

现有技术中，也有基于纳米厚度多层膜结构的磁性信息器件作为真随机数发生器，其具有可电学驱动、非易失、抗辐射、与现有半导体集成工艺兼容等优势。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 BarrierNanomagnet，LBNM)的真随机数发生器。

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)，如图1所示，磁隧道结(MTJ)为多层膜结构，包括依次堆叠的自由层、绝缘层、参考层、钉扎层和盖帽层。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。

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。

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。

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10

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。

发明内容

有鉴于现有技术的至少一个缺陷，本发明提供一种包括多层膜结构的真随机数发生器，其中所述多层膜结构包括：

导电层，配置成通入第一电流；

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，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；

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。

根据本发明的一个方面，其中所述多层膜结构进一步包括：

衬底；所述导电层位于所述衬底上；

盖帽层，位于所述自旋流抵消层之上，用于保护其下各层；其中

所述导电层为十字交叉形，所述第一磁性层、所述自旋流抵消层和所述盖帽层为截面形状相同的薄膜，所述第一磁性层、所述自旋流抵消层和所述盖帽层堆叠于所述十字交叉形的中心区域。

根据本发明的一个方面，其中以所述十字交叉形的几何中心为平面直角坐标原点，以所述十字交叉形的一个延伸方向为X轴，另一个延伸方向为Y轴，所述导电层进一步配置成：

在所述导电层沿X轴的两端分别接入电极，用于通入所述第一电流；

在所述导电层沿Y轴的两端分别接入电极，用于检测霍尔电压。

根据本发明的一个方面，其中所述第一电流包括脉冲电流，

并且所述霍尔电压在所述脉冲电流的相邻脉冲周期之间进行检测，以得到随机数序列。

根据本发明的一个方面，所述真随机数发生器中：

所述衬底包括硅基片；

所述导电层采用重金属材料或拓扑绝缘体材料制成；

所述第一磁性层采用铁磁材料制成；

所述自旋流抵消层采用与所述导电层相同的材料制成；和/或

所述盖帽层采用非铁导电金属材料制成。

根据本发明的一个方面，其中所述多层膜结构进一步包括：

衬底，所述导电层位于所述衬底上；

第二磁性层，位于所述自旋流抵消层之上，易磁化方向垂直于所述自旋流抵消层与所述第二磁性层的交界面；

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；

盖帽层，位于所述钉扎层之上，用于保护其下各层；其中

所述导电层为条形，所述第一磁性层、所述自旋流抵消层、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，所述第一磁性层、所述自旋流抵消层、所述第二磁性层、所述钉扎层和所述盖帽层堆叠于所述条形的中心区域。

根据本发明的一个方面，其中以所述条形的几何中心为三维直角坐标原点，以所述条形的延伸方向为X轴，以垂直于X轴并沿所述多层膜结构的堆叠方向为Z轴，

在所述导电层沿X轴的两端分别接入电极，用于通入所述第一电流；

在所述盖帽层沿Z轴的一端接入电极，用于通入第二电流。

根据本发明的一个方面，其中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，以测量所述多层膜结构的磁电阻，并根据所述磁电阻得到随机数序列。

根据本发明的一个方面，所述真随机数发生器中：

所述衬底包括硅基片；

所述导电层采用重金属材料或拓扑绝缘体材料制成；

所述第一磁性层采用软磁材料制成；

所述自旋流抵消层与所述导电层相同的材料制成；

所述第二磁性层采用铁磁材料制成；

所述钉扎层采用反铁磁材料制成；和/或

所述盖帽层采用非铁导电金属材料制成。

根据本发明的一个方面，所述真随机数发生器中：

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。

根据本发明的一个方面，所述真随机数发生器中：

所述第一电流的脉冲周期决定了产生真随机数的速率。

本发明还提供一种使用如上文所述的真随机数发生器产生真随机数的方法，其中所述多层膜结构进一步包括：

衬底，所述导电层位于所述衬底上；

盖帽层，位于所述自旋流抵消层之上，用于保护其下各层；其中

所述导电层为十字交叉形，所述第一磁性层、所述自旋流抵消层和所述盖帽层为截面形状相同的薄膜，所述第一磁性层、所述自旋流抵消层和所述盖帽层堆叠于所述十字交叉形的中心区域；

以所述十字交叉形的几何中心为平面直角坐标原点，以所述十字交叉形的一个延伸方向为X轴，另一个延伸方向为Y轴，所述导电层进一步配置成：

在所述导电层沿X轴的两端分别接入电极，用于通入所述第一电流；

在所述导电层沿Y轴的两端分别接入电极，用于检测霍尔电压；

所述方法包括：

沿着X轴方向通入脉冲电流；

沿着Y轴方向在所述脉冲电流的相邻脉冲周期之间检测霍尔电压，并根据所述霍尔电压得到随机数序列。

本发明还提供一种使用如上文所述的真随机数发生器产生真随机数的方法，其中所述多层膜结构进一步包括：

衬底，所述导电层位于所述衬底上；

第二磁性层，位于所述自旋流抵消层之上，易磁化方向垂直于所述自旋流抵消层与所述第二磁性层的交界面；

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；

盖帽层，位于所述钉扎层之上，用于保护其下各层；其中

所述导电层为条形，所述第一磁性层、所述自旋流抵消层、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，所述第一磁性层、所述自旋流抵消层、所述第二磁性层、所述钉扎层和所述盖帽层堆叠于所述条形的中心区域；

以所述条形的几何中心为三维直角坐标原点，以所述条形的延伸方向为X轴，以垂直于X轴并沿所述多层膜结构的堆叠方向为Z轴，

在所述导电层沿X轴的两端分别接入电极，用于通入所述第一电流；

在所述盖帽层沿Z轴的一端接入电极，用于通入第二电流；

所述方法包括：

沿着X轴方向通入具有预设间隔的脉冲电流；

沿着Z轴在所述预设间隔通入所述第二电流，用于测量所述多层膜结构的磁电阻，并根据所述磁电阻得到随机数序列。

根据本发明的一个方面，所述产生真随机数的方法中：

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。

根据本发明的一个方面，所述产生真随机数的方法中：

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。

根据本发明的一个方面，所述方法进一步包括：

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。

本发明所提供的包括多层膜结构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。通过增加自旋流抵消层，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。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。

附图说明

为了更清楚地说明本申请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申请的一些实施例，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，而并不超出本申请要求保护的范围。

图1示出了现有技术中的基于自旋转移效应的真随机数发生器；

图2示出了本发明的一个实施例所提供的真随机数发生器中的多层膜结构；

图3A示出了本发明的一个实施例所提供的真随机数发生器中的多层膜结构；

图3B示出了图3A所示的多层膜结构中的导电层的俯视图；

图4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；

图5A示出了本发明的一个实施例所提供的真随机数发生器中的多层膜结构；

图5B示出了图5A所示的多层膜结构中的导电层的俯视图；

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；

图7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。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

以上对本申请实施例进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明仅用于帮助理解本申请的方法及其核心思想。同时，本领域技术人员依据本申请的思想，基于本申请的具体实施方式及应用范围上做出的改变或变形之处，都属于本申请保护的范围。综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

本发明提供了一种具有多层膜结构的真随机数发生器，通过增加自旋流抵消层，来抵消传统磁性堆叠结构产生的自旋轨道耦合效应。在无自旋轨道耦合效应的多层膜结构中，通过施加微小电流产生焦耳热来克服磁性层磁矩的翻转能量势垒，从而主动控制磁矩的翻转时刻和翻转状态。

根据本发明的一个实施例，如图2所示，本发明提供一种包括多层膜结构100的真随机数发生器，其中，多层膜结构100包括导电层110、第一磁性层120和自旋流抵消层130。其中：

导电层110配置成通入预设强度的第一电流。

第一磁性层120位于导电层110之上，易磁化方向垂直于导电层110与第一磁性层120的交界面，配置成在所述第一电流的焦耳热作用下，第一磁性层120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。

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。

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。

第一磁性层120在制成薄膜时，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(可选地，导电层110采用重金属材料或拓扑绝缘体材料制成)结合时，由于界面效应，在导电层110的诱导下，第一磁性层110的易磁化方向垂直于第一磁性层120与导电层110的交界面。

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。

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。

本发明的上述实施例加入了自旋流抵消层130，以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。

根据本发明的一个实施例，如图3A所示，本发明所提供的真随机数发生器中，多层膜结构100进一步包括衬底140和盖帽层150。其中：

盖帽层150位于自旋流抵消层130之上，用于保护多层膜结构100。

如图3B所示(图3B为本实施例的多层膜结构100的俯视图)，导电层110为十字交叉形(Hall Bar结构)，第一磁性层120、自旋流抵消层130和盖帽层150为截面形状相同的薄膜。在衬底140上依次制备出导电层110、第一磁性层120、自旋流抵消层130和盖帽层150，并通过刻蚀使第一磁性层120、自旋流抵消层130和盖帽层150堆叠于所述十字交叉形的中心区域。

根据本发明的一个实施例，如图3B所示，以所述十字交叉形的几何中心为平面直角坐标原点，以所述十字交叉形的一个延伸方向为X轴，另一个延伸方向为Y轴，导电层110进一步配置成：

在导电层110沿X轴的两端分别接入电极，用于通入所述第一电流。第一电流产生的焦耳热使第一磁性层120的磁矩克服翻转能量势垒，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。

在导电层110沿Y轴的两端分别接入电极，用于检测霍尔电压。多层膜结构100在Y轴方向上的阻值(霍尔电阻值)与第一磁性层120的磁矩方向相关。第一磁性层120的磁矩发生随机翻转后，在Y轴可以检测到两个不同的霍尔电压，检测到的霍尔电压与第一电流的比值为霍尔电阻值，把两个不同的霍尔电阻值分别定义为逻辑“0”和逻辑“1”，重复操作即可实现输出随机数序列。

根据本发明的一个实施例，本发明所提供的真随机数发生器进一步配置成：

沿着图3B中所示的X轴，通入周期性交替的高幅值脉冲电流和低幅值脉冲电流(如图4所示)。其中，高幅值脉冲电流在一个脉冲周期T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；低幅值脉冲电流在一个脉冲周期T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T之内，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；在该脉冲周期T之内，再通入低幅值脉冲电流以检测Y轴方向上的霍尔电压。通过测量Y轴方向上的霍尔电压，可以得到霍尔电阻值，进而输出随机数。在下一个脉冲周期T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Y轴方向上的霍尔电压，周期性重复操作后即可实现输出随机数序列。

根据本发明的一个实施例，真随机数发生器的多层膜结构100中，衬底140包括硅基片或其他表面粗糙度低的材料。导电层110采用具有强自旋耦合效应的材料制成，可选地，包括重金属材料Pt、Ta、W，拓扑绝缘体材料Bi2Se3、Sb2Te3、Bi2Te3，新型材料MoS2、PtTe2。第一磁性层120采用小阻尼系数、低矫顽力、磁各项异性的材料制成，可选地，包括铁磁材料。自旋流抵消层130采用与导电层110自旋霍尔角相同的材料制成，通过调节生长厚度抵消导电层110产生的自旋力矩。盖帽层150采用非铁导电金属材料制成，可选地，包括Ta、Ti、Cu。

根据本发明的一个实施例，如图5A所示，本发明所提供的真随机数发生器中，多层膜结构100进一步包括：衬底140、盖帽层150、绝缘势垒层160、第二磁性层170和钉扎层180。其中：

绝缘势垒层160位于自旋流抵消层130之上，第一磁性层120、绝缘势垒层160、第二磁性层170构成的磁隧道结(MTJ)的“三明治”结构，用于产生磁隧道结(MTJ)的磁电阻。

第二磁性层170位于绝缘势垒层160之上，易磁化方向垂直于绝缘势垒层160与第二磁性层170的交界面。钉扎层180位于第二磁性层170之上，用于固定第二磁性层170的磁矩方向。

盖帽层150位于钉扎层180之上，用于保护多层膜结构100。

其中，导电层110为条形，第一磁性层120、自旋流抵消层130、绝缘势垒层160、第二磁性层170、钉扎层180和盖帽层150为截面形状相同的薄膜。在衬底140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160、第二磁性层170、钉扎层180和盖帽层150，并通过刻蚀使第一磁性层120、自旋流抵消层130、绝缘势垒层160、第二磁性层170、钉扎层180和盖帽层150堆叠于所述条形的中心区域。

根据本发明的一个实施例，如图5A所示，以所述条形的几何中心为三维直角坐标原点，以所述条形的延伸方向为X轴，以垂直于X轴并沿多层膜结构100的堆叠方向为Z轴，多层膜结构100进一步配置成：

在导电层110沿X轴的两端分别接入电极，用于通入所述第一电流；在盖帽层150沿Z轴的一端接入电极，用于通入第二电流。

根据本发明的一个实施例，沿着X轴方向通入具有预设间隔的脉冲电流。在所述条形的导电层110的两端，如图5A中所示的T1端、T2端分别接入电极，用于通入具有预设间隔的第一电流，所述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。

沿着Z轴方向在所述预设间隔通入所述第二电流，用于测量多层膜结构100的磁电阻，并根据所述磁电阻得到随机数序列。在如图5A中所示的导电层110的T1端、盖帽层150的T3端通入第二电流，该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，即第一磁性层120的磁矩方向不变。而第二磁性层170具有磁各项异性，在钉扎层180的诱导下，第二磁性层170的磁矩固定于垂直于第二磁性层170与钉扎层180的交界面向上或向下的方向不变。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110与第二磁性层170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110与第二磁性层170的磁矩平行时，可测得较低的磁电阻；第一磁性层110与第二磁性层170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，测量多层膜结构100的磁电阻，将两个不同的磁电阻值分别定义为逻辑“0”和逻辑“1”，即可输出随机数序列。

图5B示出了本发明的上述实施例中导电层110的俯视图。

根据本发明的一个实施例，如图5A所示的真随机数发生器的多层膜结构100中，衬底140包括硅基片或其他表面粗糙度低的材料。导电层110采用自旋轨道耦合作用较低的金属材料制成，可选地，包括金属材料Cu、Zr。第一磁性层120采用小阻尼系数、低矫顽力、具有磁各项异性的材料制成，磁矩翻转能量势垒低，可选地，包括Co、CoFe合金、CoNiCo、CoAuCo多层膜软磁材料。自旋流抵消层130采用与导电层110自旋霍尔角相同的材料制成，通过产生大小相等、方向相反的自旋轨道矩，抵消导电层110产生的自旋轨道耦合。绝缘势垒层160采用金属氧化物材料制成，可选地，包括Al

根据本发明的一个实施例，所述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所述第一电流的电流强度和脉冲宽度。

根据本发明的一个实施例，在通入所述第一电流时，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，可以通过检测霍尔电压或磁隧道结的磁电阻得到随机数，因此，通过控制所述第一电流的脉冲间隔，可以控制真随机数产生的速率。

本发明所提供的包括多层膜结构的真随机数发生器，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。通过增加自旋流抵消层，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。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。

根据本发明的一个实施例，如图6所示，本发明还提供一种使用如上文所述的真随机数发生器产生随机数的方法10，其中所述多层膜结构进一步包括：

衬底；

盖帽层，位于所述自旋流抵消层之上，用于保护所述多层膜结构；其中

所述导电层为十字交叉形，所述第一磁性材料层、所述自旋流抵消层和所述盖帽层为截面形状相同的薄膜，在所述衬底上依次制备出所述导电层、所述第一磁性材料层、所述自旋流抵消层和所述盖帽层，并通过刻蚀使所述第一磁性材料层、所述自旋流抵消层和所述盖帽层堆叠于所述十字交叉形的中心区域；

以所述十字交叉形的几何中心为平面直角坐标原点，以所述十字交叉形的一个延伸方向为X轴，另一个延伸方向为Y轴，所述导电层进一步配置成：

在所述导电层沿X轴的两端分别接入电极，用于通入所述第一电流；

在所述导电层沿Y轴的两端分别接入电极，用于检测霍尔电压；

方法10包括步骤S101和步骤S102。其中：

在步骤S101中，沿着X轴方向通入脉冲电流。所述脉冲电流包括周期性交替的高幅值脉冲电流和低幅值脉冲电流。

在步骤S102中，沿着Y轴方向在所述脉冲电流的相邻脉冲周期之间检测霍尔电压，并根据所述霍尔电压得到随机数序列。所述相邻脉冲周期包括使第一磁性层的磁矩发生翻转的高幅值脉冲电流的相邻脉冲周期(即在高幅值脉冲电流的间歇期检测霍尔电压)。通过通入高幅值脉冲电流使第一磁性层的磁矩发生随机翻转，通过通入低幅值脉冲电流检测Y轴方向上的霍尔电压，进而得到霍尔电阻值，输出随机数。

根据本发明的一个实施例，如图7所示，本发明还提供一种使用如上文所述的真随机数发生器产生随机数的方法20，其中所述多层膜结构进一步包括：

衬底；

第二磁性材料层，位于所述自旋流抵消层之上，易磁化方向垂直于所述自旋流抵消层与所述第二磁性材料层的交界面；

钉扎层，位于所述第二磁性材料层之上，用于固定所述第二磁性材料层的磁矩方向；

盖帽层，位于所述钉扎层之上，用于保护所述多层膜结构；其中

所述导电层为条形，所述第一磁性材料层、所述自旋流抵消层、所述第二磁性材料层、所述钉扎层和所述盖帽层为截面形状相同的薄膜，在所述衬底上依次制备出所述导电层、所述第一磁性材料层、所述自旋流抵消层、所述第二磁性材料层、所述钉扎层和所述盖帽层，并通过刻蚀使所述第一磁性材料层、所述自旋流抵消层、所述第二磁性材料层、所述钉扎层和所述盖帽层堆叠于所述条形的中心区域；

以所述条形的几何中心为三维直角坐标原点，以所述条形的延伸方向为X轴，以垂直于X轴并沿所述多层膜结构的堆叠方向为Z轴，

在所述导电层沿X轴的两端分别接入写电极，用于通入所述第一电流；

在所述盖帽层沿Z轴的一端接入读电极，用于通入第二电流；

方法20包括步骤S201和步骤S202。其中：

在步骤S201中，沿着X轴方向通入具有预设间隔的脉冲电流；

在步骤S202中，沿着Z轴方向在所述预设间隔通入所述第二电流，用于测量所述多层膜结构的磁电阻，并根据所述磁电阻得到随机数序列。

根据本发明的一个实施例，本发明所提供的产生真随机数的方法中，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材料层的磁矩发生翻转所需的能量。

根据本发明的一个实施例，本发明所提供的产生真随机数的方法中，所述第二电流在所述预设间隔内产生焦耳热小于所述第一磁性材料层的磁矩发生翻转所需的能量。

根据本发明的一个实施例，本发明所提供的产生真随机数的方法进一步包括：

通过控制所述预设间隔，控制随机数产生的频率。