摘要
随着无线通信技术的成熟发展、物联网所连接对象日益增多，加密传输在这个信息传输量极大的时代成为保护信息安全所不可或缺的技术。目前的安全算法大多都是基于软件生成的随机数所开发。软件算法所产生的都是伪随机数，理论上可以预测，所以由伪随机数所组成的密匙难以抵挡各种网络攻击。因此，由硬件构成的真随机数发生器（TRNG）是未来的优秀密匙来源。忆阻器因其与CMOS工艺兼容、低功耗等特点成为构建TRNG硬件核心的最佳选择之一。TRNG可以根据忆阻器的部分随机特性作为随机源从而产生真随机数比特流作为敏感信息的密匙。所产生的真随机数不具有周期性和预测性。本论文将着重探讨氧化物忆阻器阻变特性对电极的依赖性、忆阻器构建TRNG应用以及忆阻器的抗辐照能力。 论文首先就忆阻器阻变性能对电极的依赖性做了系统的研究。以 Ta2O5/HfO2/Pt 基忆阻器为基础，利用磁控溅射分别制作了以钽（Ta）、银（Ag）、铂（Pt）为上电极的三种器件。结果表明，在相同功能层和底电极的情况下，Ta作为上电极的器件表现出最为常见的双极性特性；Ag电极则为器件带来了易失性特性；而上下电极均为Pt的器件则表现为单极性。由此可见忆阻器的电极会对忆阻器性能造成较大的影响。最后，通过器件I-V的对比以及薄膜的表征分析，我们对三种器件的阻变机理提出了猜想并构建了相应的机理模型。 在以上器件基础上，通过对三种器件的物理随机特性统计对比分析，论文进一步探讨了三种器件开发TRNG的可行性。在以双极性和易失性器件为核心分别构建的TRNG中，双极性器件和易失性器件由于无法快速规律的重置阻态导致随机数无法连续高效产出。而单极性器件为核心所构建的TRNG中则很好的规避了前两者的缺点。单极性器件阻值只随电压幅度改变，可以在单极型脉冲的控制下快速规律的切换阻态，使TRNG连续产出真随机数。理想状态产生数列吞吐量可达到 160 kb/s 左右，同时结果通过 NISTSP 800-22 的随机性测试。由此表明，以 Pt/Ta2O5/HfO2/Pt 单极性忆阻器为核心的TRNG可以在物联网环境中的加密传输中发挥重要作用。 论文最后探究了Ta2O5/HfO2/Pt基忆阻器在空间辐射的环境下的γ射线总剂量效应。通过辐照前后忆阻器的阻变性能对比分析，发现器件在辐照后的高阻态阻值会略有降低，但整体性能基本不变，具有很强的抗辐照能力，这展示了 Ta2O5/HfO2/Pt 基忆阻器在航天航空等恶劣环境下工作的潜力。 综上可知，本文研究中所涉及的 Ta2O5/HfO2/Pt 基忆阻器在不同的电极影响下，会表现出不同的阻变特性。利用Ta2O5/HfO2/Pt基忆阻器的随机特性作为熵源，组建TRNG电路。利用Pt/Ta2O5/HfO2/Pt的单极性特点成功生成连续随机数列，理想吞吐量高达160 kb/s，并通过NIST SP 800-22 随机性测试。最后通过对比 Ta2O5/HfO2/Pt 基忆阻器在γ射线辐照前后的性能，发现该类器件具有很强的抗辐照能力，在航天航空环境下工作具有很大潜力。
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