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与超人不同，澳大利亚阿德莱德大学的研究人员并不声称拥有透视眼，但他们找到了一种方法，可以在不干扰芯片运行的情况下，远程观察芯片内部晶体管的电活动。科学家们没有使用X射线，而是利用太赫兹波来探测封装半导体内部电荷运动引起的微小变化。
虽然仍处于早期发展阶段，但如果加以改进和扩大规模，这种非侵入式探测系统可能会改变芯片的测试方式，减少对电子探测和X 射线检测等技术的依赖。这些技术可以生成芯片结构的精细图像，但无法观察其电学行为。
“我们用现成的组件构建了这套系统，”阿德莱德大学工程学教授、该研究小组负责人维塔瓦特·维塔亚楚姆南库尔（Withawat Withayachumnankul）说道。该研究小组的成员还包括来自美国弗吉尼亚二极管公司、德国哈索·普拉特纳研究所和波茨坦大学的同事。“它需要视线范围内的探测，但可以穿透非金属芯片封装材料。”
实验首先使用矢量网络分析仪 (VNA) ——一种能够产生已知频率和相位微波信号的实验室工具。该信号经由VNA 频率扩展器（由 Virginia Diodes公司提供）转换为太赫兹波，然后由 VNA 频率扩展器将太赫兹波辐射到待测芯片上。在到达目标之前，太赫兹辐射会穿过一个用作聚焦透镜的物镜，该物镜将光束聚焦到一个仅 1 平方毫米的区域内——在本实验中，该区域足以容纳 5 个双极型晶体管。
当晶体管导通和关断时，它们会略微改变信号的特性，反射波会沿原路返回到矢量网络分析仪（VNA）扩展器中的接收器。在那里，它被下变频回微波频率，并与原始信号进行比较。
通过测量振幅和相位上的微小差异，该系统可以推断芯片内部电荷运动的变化。研究人员特别发现，随着被监测晶体管中PN结导电性增强（即电荷载流子增多），反射的太赫兹信号也随之增强。
“据我所知，目前还没有任何检测技术能够做到这一点。这令人兴奋。”——丹尼尔·米特尔曼，布朗大学
在这一过程中，一种名为零差正交接收机的装置起着核心作用。它将待测信号与匹配频率的参考信号进行比较，从而检测信号的变化。该装置通常用于较低频率，但在这里却被用来检测太赫兹信号中极其微小、快速的变化，这些变化在其他情况下是无法直接观测到的。
“考虑到在如此高的频率下测量波的强度和时间的复杂性，我们不得不对其进行改造，使其能够在太赫兹领域工作，”Withayachumnankul 说。
由于太赫兹波长远大于被探测特征的波长，因此相互作用只会导致反射信号发生非常小的变化。矢量网络分析仪（VNA）中产生原始微波信号的振荡器产生的噪声很容易掩盖这种变化。“这就是为什么我们选择使用零差正交接收器来比较探测信号和原始信号的原因，”Withayachunankul说道。“在比较过程中，两个信号共有的噪声基本被抵消，只留下芯片电活动引起的信号变化。”
“零差检测在这里至关重要，”罗德岛布朗大学工程学教授丹尼尔·米特尔曼说。“它能够检测出由低得多的兆赫兹频率的电调制（针对被监测的晶体管）引起的太赫兹信号的变化。典型的太赫兹检测方案无法做到这一点。”
研究人员表示，太赫兹波除了能够穿透非金属半导体封装外，还是一种无害且非电离的电磁辐射形式，因此有可能为依赖 X 射线或侵入式探测的检测方法提供更安全的替代方案。
“大多数半导体封装中使用的塑料和陶瓷都很薄，不会过度吸收太赫兹波，”Withayachumnankul 说。“因此无需将其移除。这意味着我们可以原位测量半导体的活动。”
虽然封装可能不会对太赫兹检测造成影响，但现代芯片的其他方面却可能成为问题。“一般来说，现代芯片由多层构成，有时只是互连层，有时也包含有源电路，”米特尔曼说道，“目前尚不清楚这些层是否都对太赫兹辐射透明。” 因此，他指出，如果目标器件被埋在十几层其他层之下，这种检测技术可能会遇到问题。“如果这些覆盖层是不透明的，那么这种技术就无法用于诊断深埋的器件。这就是该方法的局限性。”
鉴于该系统在现阶段的灵敏度相对较低，研究人员主要将测试范围限定在分立器件上，实时监测整流二极管、双极型晶体管和场效应晶体管（FET）等器件的开关状态变化。最近，他们开始测试包含多达六个FET的集成电路。
下一个主要挑战是提高该技术的灵敏度，以便检测集成度更高的芯片。“我们有一些方法可以实现这一点，但我现在还不方便透露，”Withayachumnankul说道。
他表示，最终，随着技术的改进和完善，这种方法对于高功率电子设备等安全关键型应用将尤为具有吸引力，因为在这些应用中，设备一旦离线就会造成运行中断。此外，在德国合作者的帮助下，Withayachumnankul 正致力于利用这项技术读取芯片中的加密数据，这可能对安全领域产生深远影响。
“利用太赫兹成像技术研究半导体器件的想法由来已久，”米特尔曼说。“但这项研究开启了‘对封装内运行中的器件进行诊断’的可能性。据我所知，目前还没有任何检测技术能够做到这一点。这令人兴奋。”
（来源：编译自IEEE）
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