广东工业大学张紫辉教授团队：GaN基极化栅控光电晶体管实现紫外光到蓝光的可视化预警

GMPT, 2026/03/12

  紫外线（UV）在杀菌消毒、光通讯、生物传感等领域应用广泛，但其高能量辐射也对人体健康构成严重威胁，可导致DNA损伤、皮肤老化甚至产生光性白内障等眼部疾病。实时监测紫外线强度，既能发挥其功能，又能保护人类健康安全。
  近日，针对这一应用需求，广东工业大学张紫辉教授研究团队提出并实现了一种单片集成的极化栅控光晶体管与可见光Mini-LED相结合的新型光电器件。该器件通过“无金属栅极”设计，利用材料自身的极化效应实现电流开关，成功将微弱紫外光转化为肉眼可见的蓝光，为紫外线预警提供了一种结构简单、成本低廉、响应迅速的新方案。相关研究成果以“Making UV light visible by exciting polarization-gate phototransistor to achieve energy transfer into GaN-based blue emission”为题发表于《Light: Science & Applications》。

研究背景

  紫外线（UV）在杀菌消毒、光通讯、生物传感等领域应用广泛，但其高能量辐射也对人体健康构成严重威胁，可导致DNA损伤、皮肤老化甚至产生光性白内障等眼部疾病。实时监测紫外线强度，既能发挥其功能，又能保护人类健康安全。

图1

  紫外光电探测器是监测紫外线强度的核心器件。目前，基于AlGaN材料的光电探测器因其高效的光电转换能力而被广泛应用。然而，传统紫外光探测器通常需要复杂的封装工艺或额外的栅极控制，增加了制造成本和操作难度。此外，紫外光本身不可见，如何快速、直观地感知其存在，一直是研究热点。近年来，研究者尝试将紫外光探测器与可见光LED单片集成，通过紫外光激发可见光发射，实现对紫外光的可视化检测。现有方案包括：利用多量子阱同时实现发射与吸收、将可见光LED模块与紫外探测器芯片封装集成、以及设计NPN结构实现无栅极控制等。然而，这些方案或需要复杂的栅极控制，或依赖反向偏置的PN结，难以兼顾高灵敏度和低功耗。因此，开发一种结构简单、响应迅速、易于集成的紫外光探测器件，成为领域内的重要挑战。

创新方案

  针对上述挑战，研究团队首先采用国产自主开发的Nuwa TCAD进行建模仿真，创新性地提出并研制了一种基于极化栅效应的单片集成光电器件。该器件由两部分组成：极化栅紫外光晶体管和InGaN/GaN基可见光Mini-LED，两者通过原位外延生长集成于同一蓝宝石衬底上。

图2

  该光电集成器件最突出的创新在于其 "极化栅"设计。与传统的三端光晶体管不同，该器件仅有两个电极，利用u-GaN/AlGaN异质结界面的极化效应产生的负极化电荷，在u-GaN(L1)层中形成电子耗尽区，从而在无紫外光照射时自然夹断电子通道，使器件处于关闭状态，电流无法流向Mini-LED。这种设计完全摒弃了外部金属栅极沉积，降低了工艺复杂度。当305 nm的紫外光照射到光晶体管区域时，光生载流子会屏蔽极化电场，恢复u-GaN(L1)层中的电子通道。这使得电流得以流通，并注入Mini-LED的多量子阱中，激发出460 nm的可见蓝光。

图3

实验结果

  实验表明，在12.7 mW紫外光激发下，Mini-LED的输出光功率高达81.1 mW，实现了对紫外光的高效可视化转换。该光电集成器件还具有快速响应特性。在5 V偏压下，器件电流的上升时间为0.11 ms，蓝光发射的响应也十分迅速。这足以在人眼受到伤害前（如305 nm UV的安全暴露时间仅约0.385秒/天）发出预警。

图4

  广东工业大学楚春双副教授为论文第一作者，广东工业大学张紫辉教授为论文通讯作者；合作单位还包括南方科技大学孙小卫教授和河北工业大学张勇辉教授。

  本研究得到了国家自然科学基金区域联合创新基金重点项目（编号：U23A20361）、科技部重点研发计划（编号：2022YFB3605100）和广东省基础与应用基础研究重大项目（基石）（编号：2026B0303000014）的资助。

论文信息

Chu, C. S., Jiang, Y., He, C. L., et al. Making UV light visible by exciting polarization-gate phototransistor to achieve energy transfer into GaN-based blue emission[J]. Light Sci. Appl., 15, 162 (2026).