JP3974429B2

JP3974429B2 - 乱数発生素子

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Publication number: JP3974429B2
Application number: JP2002054153A
Authority: JP
Inventors: 哲史棚本; 忍藤田
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2002-02-28
Filing date: 2002-02-28
Publication date: 2007-09-12
Anticipated expiration: 2022-02-28
Also published as: US20030162587A1; US7405423B2; US7629609B2; EP1341079A3; US8330160B2; US20080251783A1; EP1341079A2; JP2003258240A; US20080251782A1; US7558813B2; US20080256152A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、乱数発生素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
インターネットなど情報通信ネットワークが整備されてきており銀行決済などの商取引も情報通信ネットワーク上で行われるようになってきている。これにともなってセキュリティに対する要求が増大してきており、さまざまな暗号システムが開発されている。
【０００３】
このような暗号システムにおいては質のよい乱数を発生させることがセキュリティを高くするためには必要である。ここで乱数の質とは乱数に周期性がないこと、乱数を予測することが不可能であることなどが挙げられる。
【０００４】
従来、乱数は、シフトレジスターなどの計算ソフトなどを用いて発生させていた。しかしながらこれは擬似乱数であり、どうしても数が多くなると、周期性が現れてしまいセキュリティの低下を招いていた。
【０００５】
このため質がよい真性の乱数を発生させるために、熱雑音などの物理現象に基づく物理乱数を用いる方法が考えられている。このような物理現象に基づく物理乱数は原理上真性の乱数といえるものであり、究極の乱数発生方法といえる。
【０００６】
このひとつとしてダイオードの熱雑音の信号を増幅することによって乱数を発生させる装置が提案されている。この装置ではダイオードの極めて小さい熱雑音の信号を様々な増幅装置によって増幅させているので、質の高い一様な乱数列を発生させるためには回路規模が大きくならざるを得なかった。
【０００７】
また、この装置では、ダイオードの電流電圧特性を基準としなければならず基準値を設定することが困難であり、その結果出力に偏りが生じてしまうことが多かった。
【０００８】
また、半導体チップの処理速度が高速化するにつれて、乱数を発生させる速度も高速化させる要求もある。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
このように従来の乱数発生装置では、回路規模が大きく、出力に隔たりが生じるという問題がある。
【００１０】
本発明は、上記事情を考慮して成されたもので、回路規模が小さく偏りが少ない乱数発生素子を提供することを目的とする。
【００１１】
また、本発明は、乱数を発生させる速度が極めて速い乱数発生素子を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明は、並列に配置された一対の第１の電流路及び第２の電流路と、
前記第１の電流路及び前記第２の電流路の近傍に配置され、相互に電荷が移動可能な一対の第１の微粒子及び第２の微粒子とを具備し、
すくなくとも前記第１の微粒子及び前記第２の微粒子の一方が前記第１の電流路及び前記第２の電流路の一方と電気的に結合していることを特徴とする乱数発生素子を提供する。
【００１３】
このとき、前記第１の微粒子及び前記第２の微粒子が、前記第１の電流路及び前記第２の電流路の間に配置されていることが好ましい。
【００１４】
また、前記第１の微粒子及び前記第２の微粒子は、電荷のエネルギー準位が帯電エネルギーを含めて離散的であることが好ましい。
【００１５】
また、前記第１の微粒子及び前記第２の微粒子は、直径１００ｎｍ（ナノメートル）以下であることが好ましい。
【００１６】
また、本発明は、並列に配置された一対の第１の電流路及び第２の電流路と、
前記第１の電流路及び前記第２の電流路の間に配置され、直径１μｍ以下の微粒子と、
前記微粒子及び前記第１の電流路の間に配置された第１の絶縁層と、
前記微粒子及び前記第２の電流路の間に配置された第２の絶縁層とを具備し、
前記第１の電流路、前記第１の絶縁層及び前記微粒子を有する第１のキャパシタンス或いは前記第２の電流路、前記第２の絶縁層及び前記微粒子を有する第２のキャパシタンスの容量のうち少なくとも一つが１ｎＦ（ナノファラッド）以下であることを特徴とする乱数発生素子を提供する。
【００１７】
このとき、前記微粒子のプラズマ振動数が前記第１の電流路及び前記第２の電流路の電子速度よりも小さいことが好ましい。
【００１８】
また、前記微粒子が奇数個あることが好ましい。
【００１９】
また、本発明は、並列に配置された一対の第１の電流路及び第２の電流路と、
前記第１の電流路及び前記第２の電流路の間に配置され、相互に電荷が移動可能な複数のトラップ準位を有する手段とを具備し、
すくなくとも前記トラップ準位が前記第１の電流路及び前記第２の電流路の一方と電気的に結合していることを特徴とする乱数発生素子を提供する。
【００２０】
ここで並列とは、平行である必要はない。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について、図面を用いて詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではなく、種々工夫して用いることができる。
【００２２】
（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１に係わる乱数発生素子の概念図である。
【００２３】
図１に示すように、この乱数発生装置は、並列に配置された一対の第１の電流路１及び第２の電流路２と、第１の電流路１及び第２の電流路２の間に配置され、相互に電荷が移動可能な一対の第１の微粒子３及び第２の微粒子４とを具備している。
【００２４】
ここで第１の微粒子３及び第２の微粒子４は、電荷の波動関数の効果が現れるのに十分小さい構造であり、例えば直径が１００ｎｍ以下である。これを量子ドットと呼ぶ。
【００２５】
また、第１の微粒子３及び第２の微粒子４はキャパシタンスＣ_Ｂ、抵抗Ｒ_Ｂをもつトンネル障壁６を隔てて電気的に結合しており、互いに電荷が移動可能になっている。
【００２６】
また、第１の微粒子３と第１の電流路１は、キャパシタンスＣ_Ａ、抵抗Ｒ_Ａをもつ障壁５を介して電気的に結合している。第２の微粒子４と第２の電流路２は、キャパシタンスＣ_Ｃ、抵抗Ｒ_Ｃをもつ障壁７を介して電気的に結合している。
【００２７】
ここで、第１の微粒子３及び第２の微粒子４が結合している一対の量子ドット系２３には局所的に電気的中性条件からはずれているとする。つまり、この一対の量子ドット系２３には余分な電荷８が第１の電流路１或いは第２の電流路２より注入されている状態或いは分極を起こしているものとする。これは
Ｒ_Ａ>>Ｒ_Ｂ、Ｒ_Ｃ>>Ｒ_Ｂ
の関係式が成り立ち、一対の量子ドット系２３内、すなわち相互に電荷が移動可能な第１の微粒子３及び第２の微粒子４間での電荷移動のほうが電流路と量子ドット系の間の電荷移動よりも容易であることを可能にすれば実現する。
【００２８】
この乱数発生素子は、第１の微粒子３及び第２の微粒子４の直径がナノメーターオーダーぐらいのサイズになった場合に、電子などの電荷が第１の微粒子３或いは第２の微粒子４に存在する確率が物理的な不確定さで揺らぐことを利用している。この物理的な不確定さで揺らぐ電荷分布が、第１の電流路１及び第２の電流路２に流れる電流に与える影響を観測することで物理乱数を発生させることができる。
【００２９】
例えば微細構造のキャパシタンスを
Ｃ＝ε_０Ｓ／ｄ
と見積もる。このときＳは微細構造体のおおよその面積、ｄは構造体間のおおよその距離、ε_０は比誘電率である。
【００３０】
第１の微粒子３及び第２の微粒子４として、直径１０ｎｍの二つのシリコン微粒子が距離２．５ｎｍで離れて存在していると仮定すると、キャパシタンスはおよそ２．２ａＦ（１０^−１８Ｆ）となる。この場合電子１個の帯電エネルギーは３６ｍｅＶとなる。
【００３１】
この電子１個の帯電エネルギー３６ｍｅＶは、室温３００Ｋの熱エネルギー２５．８ｍｅＶよりも十分大きいので、この一対の量子ドット系２３では電荷分布の変化が室温で観測されるようになる。この現象は一般的にクーロンブロッケイド効果と呼ばれている。
【００３２】
一方、局在準位間の電荷の移動に伴う抵抗をＲとするならば、電荷が局在準位に落ち着く時間Δｔ_ｄはおおよそ
Δｔ_ｄ＝１／（ＣＲ）
で見積もられる。
【００３３】
例えば、第１の微粒子３及び第２の微粒子４間のトンネル抵抗Ｒ_Ｂが１０^６Ωの場合、クーロンブロッケイド効果が観測されるとするならばΔｔ_ｄは約４．５×１０^−１１秒となる。ここでクーロンブロッケイド効果が観測される抵抗値Ｒを２５．８ｋΩ以上、キャパシタンスＣを２．２ａＦと見積もった。
【００３４】
図１において、例えば第１の電流路１に電流を流せば、第１の電流路１を流れる電流内の電子からのクーロン反発力により、第１の微粒子３内の電荷分布は変化し、電子８が第１の電流路１に流れる電流から離れるように再配置される。
【００３５】
電流路としてシリコンＦＥＴのソースドレイン間を考える。ソースドレイン間の移動度をμ、ソースドレイン間に印加される電界をＥとすると、ソースドレイン間を流れる電流内の電荷の速度ｖはｖ＝μＥで与えられる。
【００３６】
第１の微粒子３及び第２の微粒子４の直径をｌ_ｄとすれば、第１の電流路１を流れる電流内の電荷が、第１の微粒子３及び第２の微粒子４の近傍を横切る時間Δｔ_Ｉは
Δｔ_Ｉ＝ｌ_ｄ／ｖ＝ｌ_ｄ／（μＥ）
で与えられる。ここでもしΔt_ｄとΔt_Ｉのうち一方の値が他方の値よりも１０００倍以下の値であれば電流は電子の再配置を感知することになる。
【００３７】
例えば、移動度μを１０００ｃｍ^２／（Ｖｓ）、電界Ｅを１０^６ｃｍ／秒とするならば、電子の速度は１０^１５ｎｍ／秒となる。従って第１の微粒子３の直径を１０ｎｍとすると、電子が第１の微粒子３の近傍を横切る時間Δｔ_Iは１０^−１３秒となり、第１の微粒子３内の電荷分布と第１の電流路１を流れる電流とは相互作用をすることになる。
【００３８】
このとき、第１の電流路１に電流を流すことにより第１の微粒子１内の電荷分布が揺らぎ、この電荷分布の揺らぎが再び第１の電流路１に流れる電流に反映されるため、電流は時間的に揺らぐことになる。ここで、第２の電流路２を第２の微粒子４の近傍に配置し、第１の電流路１及び第２の電流路２に流れる電流量を同じになるように調整する。このとき電流量を同じように調整するとは、例えば第１の電流路１及び第２の電流路２を同じ材質で同じ断面積の配線とし同じ電圧を印加させるように調整すればよい。
【００３９】
しかし第１の電流路１及び第２の電流路２の電流量を厳密に一致させることはできないうえ、電流を流す前の一対の量子ドット系２３内すなわち第１の微粒子３及び第２の微粒子内の電荷状態はその時々で異なるため、第１の電流路１及び第２の電流路２に流れる電流の差は測るごとにゼロ付近をプラス、マイナス均等に分布することになる。
【００４０】
以上より、図２に示すように、第１の電流路１及び第２の電流路２に電流を流す前の状態を起点とし、第１の電流路１及び第２の電流路２に流れる電流の差を差動増幅回路９０につなげれば、電流の値として乱数を得ることができる。
【００４１】
図２には、簡略化した差動増幅回路９０を示し、第１の電流路１と第２の電流路２の電流差を増幅して出力９１より取り出すものである。
【００４２】
このようにして物理現象による物理乱数を発生することができる。
【００４３】
この現象は電流値がプラス・マイナスゼロ付近で揺らぐため、ダイオード等の熱雑音を増幅する乱数発生装置のような「０」、「１」間の偏りが本質的に少ない。
【００４４】
また、上記のΔt_ｄの計算例でも分かるが、第１の微粒子３及び第２の微粒子間の距離を調整するだけで、ピコ秒（１０^−１２秒）程度或いはこれ以下の早い動作が実現できる。
【００４５】
本実施形態における乱数発生素子は、量子力学的な波動関数の変化が強く働く場合であり、第１の微粒子３及び第２の微粒子４を有する一対の量子ドット系２３の電荷分布を観測するという行為が主に波動関数の波束の収束をもたらす。
【００４６】
従って、量子力学的に予測不可能である量子揺らぎを利用した物理乱数であり数が多くなっても全く周期性は現れない。
【００４７】
これは電荷の波動関数が強く重なりあった状況であり、その最も典型的で簡単な構成は、第１の微粒子３及び第２の微粒子４内における一つのエネルギー準位間を電気的に結合させた状態に余分な電荷が一つ加えられた状態、すなわち量子的二準位系の場合である。このとき、直接にしろ、間接的にしろ波動関数が重なり合い、量子力学的効果が期待される。
【００４８】
図３に、この一対の量子ドット系２３のポテンシャルを示す。
【００４９】
この一対の量子ドット系２３における電荷の運動はシュレーディンガー方程式により記述される（Ｔ．Ｔａｎａｍｏｔｏ，ＰｈｙｓｉｃａｌＲｅｖｉｅｗＡＶｏｌ．６１，ｐ０２２３０５（２０００））。
【００５０】
電子は二つの量子ドット間を量子ドット間のトンネリング障壁の高さと厚さに依存する周期で行き来する。このとき二つの量子ドットのどちらに電荷が存在するかを近接した第１の電流路１或いは第２の電流路２により観測する場合、第１の微粒子３及び第２の微粒子４のいずれに電荷が発見されるかは、確実には分からない。
【００５１】
これは量子力学の本質であり、予測できるのは、波動関数の振幅の二乗、すなわち二つの量子ドットそれぞれに電荷が存在する確率だけである。二つの量子ドットの電磁気的なポテンシャル構造が同じならば、二つの量子ドットに電荷が存在する振幅が等しくなるので、二準位系のどちらに電荷がいるかは全く等価である。
【００５２】
従って二つの量子ドットのどちらに電荷が存在するのかを観測し、一方の量子ドットに電荷がいることが観測された場合を「０」、他方の量子ドットに電荷が発見された場合を「１」とすれば乱数となる。この場合、温度の効果で各量子ドット内の基底準位だけでなく、励起状態を経ても構わない。
【００５３】
図４は、第１の微粒子３及び第２の微粒子４を有する一対の量子ドット系２３を第１の電流路１及び第２の電流路２の間に奇数個並べたものである。それぞれの一対の量子ドット系２３をちょうど平均すると「０」と「１」半々の揺らぎの電流値が得られる。
【００５４】
このとき第１の電流路１及び第２の電流路２を流れる電流内の電荷の速度が遅く、一対の量子ドット系２３における分極の効果が平均化された場合でも、一対の量子ドット系２３が奇数個ならば、第１の電流路１及び第２の電流路２には必ず「０」か「１」の影響が残る。
【００５５】
また、一対の量子ドット系２３が３つ以上存在する場合は、隣接する一対の量子ドット系２３間には電荷が反対に分布するようにクーロン力が働くため、量子ドット内の電荷分布が一つの方向に偏ることをさらに抑制する効果も期待できる。
【００５６】
また、ある一対の量子ドット系が機能しない場合や、機能しても一方の量子ドットに電荷が偏在するような場合でも、一対の量子ドット系が複数個存在することによって乱数発生素子としては機能する。
【００５７】
（実施形態２）
次に、図５を用いて、本発明の実施形態２に係わる乱数発生素子について説明する。
【００５８】
本実施形態では、主に、電荷状態が安定していないキャパシタンスネットワークの電位分布の時間変化と電流の揺らぎの時間変動が相互作用する効果を利用する。
【００５９】
図５（ａ）に示すように、この乱数発生素子は、並列に配置された一対の第１の電流路１及び第２の電流路２と、第１の電流路１及び第２の電流路２の間に配置され、直径１μｍ以下の微粒子９と、微粒子９及び第１の電流路１の間に配置された第１の絶縁層１０と、微粒子９及び第２の電流路２の間に配置された第２の絶縁層１１とを具備している。
【００６０】
このとき第１の電流路１、第１の絶縁層１０及び微粒子９を有する第１のキャパシタンス及び第２の電流路２、第２の絶縁層１１及び微粒子９を有する第２のキャパシタンスの容量のうち少なくとも一つが１ｎＦ以下である。
【００６１】
図５（ｂ）は、第１の電流路１及び第２の電流路２の間に微粒子９が複数個ある場合の構造を示す。この場合は第１の電流路１及び第２の電流路２に存在する電荷と微粒子９に存在する電荷との間でクーロン相互作用があり、このクーロン相互作用によって第１の電流路１及び第２の円粒ライン２に流れる電流と微粒子９内の電荷分布が時間的に揺らぐ。
【００６２】
このように微粒子９が量子効果を示すほど小さくなくても、各微粒子９上の電荷の間で作用するクーロン相互作用の影響によっても、第１の電流路１及び第２の電流路２に流れる電流と微粒子９の電荷分布が時間的に揺らぐ。
【００６３】
この場合微粒子９内に存在する電荷と電流路間のキャパシタンス或いは微粒子９間のキャパシタンスの内、少なくとも一つが１ｎＦ以下であることが、電荷分布の揺らぎを電流として観測するためには必要である。
【００６４】
また、第１の電流路１及び第２の電流路２間の絶縁膜は一つであっても構わないし、三つ以上であっても構わない。
【００６５】
図５（ｃ）は、第１の電流路１及び第２の電流路２と微粒子９間との間の絶縁膜として、空気などを用いた場合を示している。
【００６６】
この原理は以下のとおりである。
【００６７】
第１の電流路１及び第２の電流路２のうち、一方の電流路に流れる電流は、微粒子９の電荷分布を変化させ、ひいては他方の電流路にも影響を与える。一方の電流路に流れる電流が多くなれば、クーロン反発力により、他方の電流路に流れる電流は抑制される。この変動を出力として「０」、「１」とすれば質のよい乱数となる。
【００６８】
本実施形態の乱数発生素子に用いる微粒子は、必ずしも量子的なエネルギー準位の間隔が測定温度で観測されていなくてもよく、少数電荷の滞在場所が少数電荷同士及び電流路との間の相互作用で時間変動することが電流路の揺らぎを生む。
【００６９】
この場合微粒子の大きさは、量子ドットよりも大きくなってきた場合に効果が大きくなる。しかしこの場合も、電荷の揺らぎはキャパシタンスのエネルギーの大きさであるから、微粒子系７０の構造のうちいくつかのキャパシタンスが小さければ小さいほどその効果は大きくなる。
【００７０】
（実施形態３）
次に、本発明の実施形態３に係わる乱数発生素子について説明する。
【００７１】
本実施形態では、電流路間の物質構造のもつ特徴的なプラズマ振動数と電流路を流れる電流の時間的な変動の大きさが大きく離れていない場合、やはり電流路とその間の物質内電荷が強く相互作用し、電流値が揺らぐ効果を利用する。
【００７２】
図６（ａ）は、本実施形態に係わる乱数発生素子の構成図である。
【００７３】
この乱数発生素子は、第１の電流路１及び第２の電流路２の間に構造体１３が存在している。この構造体１３は帯電もしくは分極しており、そのプラズマ振動数が、第１の電流路１及び第２の電流路２を流れる電流のおおよその振動周期である、１／Δｔ_Ｉ(上記の式)と同じくらいになるようにする。
【００７４】
こうすることで構造体１３の電荷分布の変動と、第１の電流路１及び第２の電流路２を流れる電流とが同期し、電流に揺らぎが生じる。この揺らぎは第１の電流路１及び第２の電流路２で逆なので、良質の乱数が得られることになる。
【００７５】
図６（ａ）に示す乱数発生素子は、第１の電流路１及び第２の電流路２の間の構造体１３そのものにプラズマ振動が発生している場合である。この構造体１３は直径が１μｍ程度以下の微粒子が絶縁膜１２で覆われている。
【００７６】
この他に図６（ｂ）に示すように、直径が１００ｎｍ程度以下の微粒子１４が、それぞれ第１の電流路１、第２の電流路２の近傍に配置され、配線１５を介して電気的に結合されている場合がある。配線１５は、絶縁膜７３を介して、それぞれ微粒子１４と電気的に結合している。この場合、微粒子１４間には巨視的な数の電子が介在し、そのプラズマ振動数が配線１５に流れる電流の時間変動と大きく異なるが、配線１５のプラズマ振動数が第１の電流路１、第２の電流路２における揺らぎの振動数とかけ離れていなければ、第１の電流路１及び第２の電流路２間の相関が生じ、効率的な乱数発生に使用できる。
【００７７】
（実施形態４）
次に、本発明の実施形態４に係わる乱数発生素子について説明する。
【００７８】
本実施形態では、電流路間に複数のトラップ準位を配置した構造であり、複数のトラップ準位間を移動する電荷の時間的な変動の大きさが、電流路を流れる電流の時間的な変動の大きさと大きく離れていない場合、やはり電流路とその間の物質内電荷が強く相互作用し、電流値が揺らぐ効果を利用する。
【００７９】
図７に示すように、トラップ準位１７を含む膜１６を挟んで第１の電流路１と第２の電流路２を設ける。トラップ準位１７へは第１の電流路１或いは第２の電流路２から電荷が漸次移動しても構わないし、最初から多くの電荷の注入しても構わない。
【００８０】
このトラップ準位１７の電荷の時間的変動を介して、第１の電流路１及び第２の電流路２間に相互作用が生まれ、良質の乱数を生成する。
【００８１】
トラップ準位１７は、ＦＩＢ（ＦｏｃｕｓｅｄＩｏｎＢｅａｍ）を用いてＧａ、Ｂ、Ｓｉ、Ｗ等を絶縁膜に打ち込むことによって形成できる。
【００８２】
以下、本発明の乱数発生素子について具体的な構造を説明する。
【００８３】
図８乃至図１７は、本発明の実施形態１から４に係わる乱数発生素子をシリコン基板上に形成した断面図である。微粒子が十分小さく量子効果が生じる程度になれば、実施形態１で説明した効果が強く働く。
【００８４】
微粒子の大きさが均一でなく、あるものは比較的大ききいならば、実施形態２で説明した効果も働く。
【００８５】
さらに微粒子の大きさが大きくなれば実施形態３で説明した効果が支配的になる。
【００８６】
以下の構造において絶縁膜などに何らかのトラップ準位が存在すれば、実施形態４で説明した効果も発揮する。ここで図１３、図１４、図１５に示す乱数発生素子は実施形態４で説明した効果が働く。
【００８７】
（実施例１）
図８（ａ）に、実施例１に係わる乱数発生素子の断面図を示す。電流は紙面に垂直な方向に流れる。
【００８８】
この乱数発生素子は、シリコン基板２０上に絶縁膜２２が形成されている。絶縁膜２２上にはシリコン微粒子２３が形成されている。シリコン微粒子２３は、酸化膜２４で覆われている。絶縁膜２２及び酸化膜２４の側面には、２つの側壁細線２５が形成されている。
【００８９】
この２つの側壁細線２５は、それぞれ第１の電流路１及び第２の電流路２となる。シリコン微粒子２３は、２つの側壁細線２５の間に位置するように設けられている。また、二つのシリコン微粒子２３は、互いに電荷が移動可能である一対の量子ドット系２３である。
【００９０】
この作製方法は以下のとおりである。
【００９１】
先ず、図８（ｂ）に示すように，Ｓｉ基板２０上に素子領域２１を形成して、素子領域５１を形成する。次に、Ｓｉ基板２０の表面を熱酸化し、厚さ１０ｎｍ以下のＳｉ酸化膜２２を形成する。Ｓｉ基板２０としてはｎ型でもｐ型でもよい。
【００９２】
次に、図８（ｃ）に示すように、ＣＶＤ法等を用いてポリＳｉ層を形成し、アニールすることによりＳｉ量子ドット２８を形成する。
【００９３】
次に、図８（ｄ）に示すように、ＣＶＤ法等を用いて再び酸化膜２４を厚さ８ｎｍ程度形成する。
【００９４】
次に、図８（ｅ）に示すように、露光装置を用いて、酸化膜２４をパターニングする。この際このパターニングにより残す部分はＳｉ量子ドット２８が一つ以上残ることが望ましい。
【００９５】
次に、図８（ｆ）に示すように、ＣＶＤ法等を用いてポリＳｉ層を作製し、このポリＳｉ層をはがすことにより、Ｓｉ量子ドット２８を含む部分の両側にポリＳｉ層からなる側壁細線２５を形成する。
【００９６】
次に、図８（ｇ）に示すように、第１の電流路１及び第２の電流路２のソース（Ｓ）とドレイン（Ｄ）を分ける位置にマスクをポジレジスト等により形成する。ここで図８（ｇ）は、素子領域を基板に対して上から見た図である。
【００９７】
次に、図８（ｈ）に示すように、イオン注入を行い電流のコンタクト領域となるソース（Ｓ）とドレイン（Ｄ）を形成する。この際、Ｓｉ基板２０として、ｎ型を用いる場合にはホウ素などを、ｐ型を用いる場合にはリンなどを注入する。図８（ｉ）に、この鳥瞰図を示す。
【００９８】
次に、コンタクトを取ることにより外部の差動増幅回路を結びつける。側壁細線２５が第１の電流路１及び第２の電流路２となり、隣接する結合量子ドット系２３の電荷分布の影響を読み取ることになる。
【００９９】
なお、ここで量子ドット２８としてはポリスチレンビーズなどのナノ粒子を塗布してもよい。また、Ａｕなど金属微粒子を用いてもよい。
【０１００】
また、量子ドット２８の代わりに、アモルファスＳｉ層をつけてもよい。アモルファスＳｉには多くのトラップ準位がトンネリング障壁を隔てて存在しているので、結合量子ドット系２３の代わりとして利用できる。
【０１０１】
この場合、電流路に沿ってきちんと二つの量子ドットが並んでいるとは限らないが、二つ以上の量子ドット系においても電流路が量子ドットのサイズに比べて長ければ、二つの電流路が検知する量子ドットの分布は均一だと言える。
【０１０２】
図８（ｊ）は、素子分離としてＳＴＩ（ＳｈａｌｌｗＴｒｅｎｃｈＩｓｏｌａｔｉｏｎ）と呼ばれる方法を用いた場合の断面図である。
【０１０３】
図８（ｋ）は、基板２０の代わりに、ＳＯＩ基板１００を用いた場合の鳥瞰図である。ＳＯＩ基板１００を用いた場合、イオン注入した部分は基板内の酸化膜１０１まで到達しても構わない。
【０１０４】
（実施例２）
図９（ａ）に、実施例２に係わる乱数発生素子の断面図を示す。電流は紙面に垂直な方向に流れる。
【０１０５】
この乱数発生素子は、シリコン基板２０上に絶縁膜２２が形成されている。絶縁膜２２上にシリコン微粒子２３が形成されている。シリコン基板２０上の絶縁膜２２下には、第１の電流路１及び第２の電流路２が形成されている。第１の電流路１及び第２の電流路２の間にはシリコン微粒子２３が位置している。
【０１０６】
この作製方法は以下のとおりである。
【０１０７】
先ず、図９（ｂ）に示すように、Ｓｉ基板２０上に素子領域５１を一部がくびれるように形成する。図９（ｂ）は上から見た図である。このくびれは量子ドットの電界変化を効率的に検知するためのものであり、必ずしも必要ではない。この素子領域５１にイオン注入を行うことで、導電領域を形成する。イオン注入するイオンの種類等は実施例１と同じである。
【０１０８】
次に、図９（ｃ）に示すように、素子領域の真中部分を電子ビーム露光装置等により露光し、Ｓｉ基板２０をエッチングすることによりトレンチ構造３０を形成する。
【０１０９】
次に、図９（ｄ）に示すように、全体を酸化し、酸化膜２２を形成する。次に、ＣＶＤ法等により酸化膜２２上に、ポリＳｉ膜を形成し、実施例１と同じようにＳｉ量子ドット系２８を形成する。図９（ｇ）に、このときの鳥瞰図を示す。また、図９（ｆ）に、素子を上からみた図を示す。
【０１１０】
次に、図９（ｅ）に示すように、ＣＶＤ法等により酸化膜８０を蒸着し、コンタクトホールを空けて電流端子を形成する。図９（ｅ）中、まるで囲んだ範囲が量子ドット系２３として効果を発揮する。
【０１１１】
量子ドット系の形成については実施例１と同じく、ポリＳｉ以外の量子ドットも利用できる。
【０１１２】
また、図９（ｈ）に示すように、トレンチ構造３０は、例えばＳｉ基板２０の面方位を利用した異方性エッチング等で置き換えてもよい。
【０１１３】
また、図９（ｉ）は、素子分離としてＳＴＩ２７を用いた場合の断面図である。
【０１１４】
また、図９（ｊ）は、基板としてＳＯＩ基板１００を用いた場合の断面図である。ＳＯＩ基板１００を用いた場合、イオン注入した部分は基板内の酸化膜１０１まで到達しても構わない。
【０１１５】
（実施例３）
図１０（ａ）に、実施例３に係わる乱数発生素子の断面図を示す。電流は紙面に垂直な方向に流れる。
【０１１６】
この乱数発生素子は、トレンチ内にシリコン微粒子９が埋め込まれ、その両側に絶縁膜３１を介して、第１の電流路１及び第２の電流路２が形成されている。第１の電流路１及び第２の電流路２は、シリコン酸化膜３２上に積層形成されたものである。一対のシリコン微粒子９によって、結合量子ドット系２３を形成している。
【０１１７】
この作製方法は以下のとおりである。
【０１１８】
先ず、図１０（ｂ）に示すように、Ｓｉ基板２０上に、厚さ数百ｎｍ以上のＳｉ酸化膜３２を形成する。次に、Ｓｉ酸化膜３２上にポリＳｉ層３３を形成する。このポリＳｉ層３３は、後に第１の電流路及び第２の電流路となる。次に、ポリＳｉ層３３上に、ＣＶＤ法等によりＳｉ酸化膜３４を形成する。
【０１１９】
次に、図１０（ｃ）に示すように、Ｓｉ酸化膜３４、ポリＳｉ層３３及びＳｉ酸化膜３２の一部をパターニングし、トレンチ構造３０を形成する。
【０１２０】
次に、図１０（ｄ）に示すように、熱酸化によりトレンチ構造３０の内壁に薄い酸化膜層３１を形成する。
【０１２１】
次に、図１０（ｅ）に示すように、トレンチ構造３０内にポリＳｉ等によりＳｉ量子ドット９を形成する。
【０１２２】
次に、図１０（ｆ）に示すように、ＣＶＤ法等により保護酸化膜３５を形成する。
【０１２３】
次に、図１０（ｇ）に示すように、第１の電流路及び第２の電流路とコンタクト３５を取る。図１０（ｇ）は素子を上から見たものである。
【０１２４】
（実施例４）
図１１に、実施例４に係わる乱数発生素子の断面図を示す。電流は紙面に垂直な方向に流れる。
【０１２５】
この乱数発生素子は、絶縁膜４０上に第２の電流路２が形成されている。第２の電流路２上には絶縁膜４１を介して、第１の電流路１が形成されている。第１の電流路１上には、絶縁膜４２が形成されている。第１の電流路１及び第２の電流路２は、エッチングにより端部が形成されており、この端部に側壁絶縁膜４３が形成されている。側壁絶縁膜４３の側壁上にはシリコン微粒子９が形成されており、これらのシリコン微粒子によって量子ドット系２３が形成されている。
【０１２６】
この構造でも、結合量子ドット系２３で電荷が移動可能で、この電荷分布が、近接する第１の電流路１及び第２の電流路２に影響を与えることで、乱数を発生させることができる。
【０１２７】
この構造は、絶縁膜４０、第２の電流路２、絶縁膜４１及び第１の電流路１が積層された積層膜の一部をパターニングして、その角を酸化して、シリコン微粒子２３をこの角に堆積することで形成することができる。
【０１２８】
（実施例５）
図１２に、実施例５に係わる乱数発生素子の断面図を示す。
【０１２９】
この乱数発生素子は、絶縁膜４０上に第２の電流路２が形成されている。第２の電流路２上には絶縁膜４５中にシリコン微粒子９が埋め込まれた結合量子ドット系２３が形成されている。この結合量子ドット系２３上には、第１の電流路１が形成されている。第１の電流路１上には、絶縁膜４２が形成されている。
【０１３０】
この構造は、絶縁膜４０、第２の電流路２、絶縁膜４５中にシリコン微粒子９が埋め込まれた結合量子ドット系２３、第１の電流路１及び絶縁膜４２を積層した後に、最後にパターニングして形成することができる。
【０１３１】
（実施例６）
図１３に、実施例６に係わる乱数発生素子の断面図を示す。
【０１３２】
この乱数発生素子は、絶縁膜５０上に第２の電流路２が形成されている。第２の電流路２上には絶縁膜５１が形成されている。絶縁膜５１上には、ＳｉＮ膜５２が形成されている。ＳｉＮ膜５２上には絶縁膜５３が形成されている。絶縁膜５３上には、第１の電流路１が形成されている。第１の電流路１上には、絶縁膜５４が形成されている。
【０１３３】
ＳｉＮ膜５２と絶縁膜５１及び５３との界面には、トラップ準位５５が形成されている。このトラップ準位５５は、第１の電流路１及び第２の電流路２の間に形成されている。
【０１３４】
（実施例７）
図１４に、実施例７に係わる乱数発生素子の断面図を示す。
【０１３５】
この乱数発生素子は、絶縁膜５０上に第２の電流路２が形成されている。第２の電流路２上には絶縁膜５１が形成されている。絶縁膜５１上には、アモルファスＳｉ膜６０が形成されている。アモルファスＳｉ膜６０上には絶縁膜５３が形成されている。絶縁膜５３上には、第１の電流路１が形成されている。第１の電流路１上には、絶縁膜５４が形成されている。
【０１３６】
アモルファスＳｉ膜６０は、粒界状のものであり、一部が量子ドットとして機能する。また、アモルファスＳｉ膜６０の粒界面にはトラップ準位が存在するので、このトラップ準位を利用する。
【０１３７】
（実施例８）
図１５に、実施例８に係わる乱数発生素子の断面図を示す。
【０１３８】
この乱数発生素子は、Ｓｉ基板２０上に熱酸化膜で覆われた結合量子ドット２３が形成されている。この上にシリコン層６１が形成されている。
【０１３９】
第２の電流路２として、Ｓｉ層基板２０の表面を用いる。第１の電流路１としては、シリコン層６１を利用する。
【０１４０】
この構造は、絶縁膜上にＳｉをエピタキシャル技術により積層したのち、結晶化することにより第１の電流路１を形成することで得られる。このときシリコン層６１の結晶化が完全に行われなかった場合も考えて、この上にゲート電極６２を形成する。このゲート電極６２は第１の電流路１と第２の電流路２における電流量の調節に用いられる。
【０１４１】
以下、その他の実施例について説明する。
【０１４２】
図１６（ａ）、図１６（ｂ）、図１６（ｃ）は、それぞれ図８、図９、図１１の量子ドットの代りにＦＩＢなどでＧａ、Ｂ、Ｓｉ、Ｗなどのイオンを打ち込んで形成したトラップ準位５５を利用したものである。その他の構造は、それぞれ図８、図９、図１１と同じである。
【０１４３】
ここでこのトラップ準位は基板まで到達しても構わない。また、ＦＩＢなどを使わずに、ＫＯＨなどを行ってＳｉ基板の表面を荒らして、熱酸化膜との間にトラップ準位を形成しても構わない。
【０１４４】
以上の実施例では、第１の電流路及び第２の電流路にポリＳｉを用いたが、このポリＳｉ層は伝導性を高めるためにＣｏＳｉ、ＦｅＳｉ、ＮｉＳｉ、ＴｉＳｉ等でシリサイド材料を用いても良い。
【０１４５】
また、第１の電流路及び第２の電流路として、Ａｌ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｕ等の金属を用いてもよい。
【０１４６】
また、以上の実施例では単一の成分からなる量子ドットを用いたが、量子ドット自体も表面をシリサイド化しても構わない。また、二種類の半導体もしくは金属を用いても構わない。
【０１４７】
また、以上の実施例において量子ドット系の電荷分布を調整するため、ゲート電極を素子の上或いは基板の裏側に形成してもよい。
【０１４８】
また、量子ドット系の電子状態の制御性をよくするため、上記の素子構造に磁場をかけてもよいし、また、電磁気的に結合させるため、キャビティもしくは多重量子井戸構造の中においてもよい。
【０１４９】
以上の実施例では主に量子ドットが二つ結合したものを用いたが、結合する量子ドットの数は三つ以上でも構わない。この場合、例えば、第五の実施例では積層される量子ドットの数が三層以上になる。
【０１５０】
また、素子領域の作製、素子分離はＬＯＣＯＳ（ＬｏｃａｌＯｘｉｄａｔｉｏｎｏｆＳｉｌｉｃｏｎ）法でもよいし、ＳＴＩ（ＳｈａｌｌｏｗＴｒｅｎｃｈＩｓｏｌａｔｉｏｎ）と呼ばれる方法でも構わない。また、その他の生成法でも構わない。
【０１５１】
また、上記の実施例では、トンネル酸化膜及び絶縁膜としてＳｉ酸化膜を用いたが、代りにＳｉＮや酸化アルミニウムやＨｆＯ_２、ＺｒＯ_２等の誘電率の高い材料でも構わない。また、これらの材料を二つ以上積層しても構わない。
【０１５２】
また、第１の電流路及び第２の電流路はところどころがくびれている所謂、ポイントコンタクト構造でも構わないし、単一電子素子でも構わない。
【０１５３】
また、基板としてシリコン基板を用いて説明したが、ガラス、ＳＴＯ、ＧａＮ、ＧａＡｓ等の基板でも構わない。
【０１５４】
【発明の効果】
微小電荷の量子力学的、熱的揺らぎが対等な電流路を流れる電流に影響を与える構造になっているため、電流路間の差の電流を乱数データと利用することにより、偏りのない良質な乱数を微細な回路で、高速に実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態１に係わる乱数発生素子の概念図。
【図２】本発明の実施形態１に係わる乱数発生素子の概念図。
【図３】一対の量子ドット系のポテンシャルの図。
【図４】第１の微粒子３及び第２の微粒子４を有する一対の量子ドット系を第１の電流路１及び第２の電流路２の間に奇数個並べた図。
【図５】本発明の実施形態２に係わる乱数発生素子であり、（ａ）は、断面図、（ｂ）は断面図、（ｃ）は、鳥瞰図である。
【図６】本発明の実施形態３に係わる乱数発生素子の構成図。
【図７】本発明の実施形態４に係わる乱数発生素子の断面図。
【図８】本発明の実施例１に係わる乱数発生素子であり、（ａ）は断面図、（ｂ）乃至（ｆ）及び（ｈ）は主用工程を示す断面図であり、（ｇ）は上面図であり、（ｉ）は鳥瞰図であり、（ｊ）は変形例の断面図であり、（ｋ）は変形例の鳥瞰図である。
【図９】本発明の実施例２に係わる乱数発生素子であり、（ａ）は断面図、（ｂ）乃至（ｅ）は主用工程を示す断面図であり、（ｆ）は上面図であり、（ｇ）は鳥瞰図であり、（ｈ）乃至（ｊ）は変形例の断面図である。
【図１０】本発明の実施例３に係わる乱数発生素子であり、（ａ）は断面図、（ｂ）乃至（ｆ）は主用工程を示す断面図であり、（ｇ）は上面図である。
【図１１】本発明の実施例４に係わる乱数発生素子の断面図。
【図１２】本発明の実施例５に係わる乱数発生素子の断面図。
【図１３】本発明の実施例６に係わる乱数発生素子の断面図。
【図１４】本発明の実施例７に係わる乱数発生素子の断面図。
【図１５】本発明の実施例８に係わる乱数発生素子の断面図。
【図１６】本発明の別の実施例に係わる乱数発生素子の断面図。
【符号の説明】
１・・・第１の電流路
２・・・第２の電流路
３・・・第１の微粒子
４・・・第２の微粒子
５・・・トンネル障壁
６・・・障壁
７・・・障壁
８・・・電荷

Claims

並列に配置された一対の第１の電流路及び第２の電流路と、
前記第１の電流路及び前記第２の電流路の近傍に配置され、相互に電荷が移動可能な一対の第１の微粒子及び第２の微粒子とを具備し、
すくなくとも前記第１の微粒子及び前記第２の微粒子の一方が前記第１の電流路及び前記第２の電流路の一方と電気的に結合していることを特徴とする乱数発生素子。
前記第１の微粒子及び前記第２の微粒子が、前記第１の電流路及び前記第２の電流路間に配置されていることを特徴とする前記請求項１記載の乱数発生素子。
前記第１の微粒子及び前記第２の微粒子は、電荷のエネルギー準位が帯電エネルギーを含めて離散的であることを特徴とする請求項１或いは請求項２記載の乱数発生素子。
前記第１の微粒子及び前記第２の微粒子は、直径１００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の乱数発生素子。
並列に配置された一対の第１の電流路及び第２の電流路と、
前記第１の電流路及び前記第２の電流路の間に配置され、直径１μｍ以下の微粒子と、
前記微粒子及び前記第１の電流路の間に配置された第１の絶縁層と、
前記微粒子及び前記第２の電流路の間に配置された第２の絶縁層とを具備し、
前記第１の電流路、前記第１の絶縁層及び前記微粒子を有する第１のキャパシタンス或いは前記第２の電流路、前記第２の絶縁層及び前記微粒子を有する第２のキャパシタンスの容量のうち少なくとも一つが１ｎＦ以下であることを特徴とする乱数発生素子。
前記微粒子のプラズマ振動数が前記第１の電流路及び前記第２の電流路の電子速度よりも小さいことを特徴とする請求項５記載の乱数発生素子。
前記微粒子が奇数個あることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の乱数発生素子。
並列に配置された一対の第１の電流路及び第２の電流路と、
前記第１の電流路及び前記第２の電流路の間に配置され、相互に電荷が移動可能な複数のトラップ準位を有する手段とを具備し、
すくなくとも前記トラップ準位が前記第１の電流路及び前記第２の電流路の一方と電気的に結合していることを特徴とする乱数発生素子。