近日，我院张紫辉教授团队在实现紫外光到蓝光的可视化预警研究领域取得重要进展。相关研究论文以“Making UV light visible by exciting polarization-gate phototransistor to achieve energy transfer into GaN-based blue emission”为题，发表于光学领域的国际顶级期刊《Light: Science & Applications》（影响因子：23.4，中科院一区TOP期刊）。
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。
图1（见原文Fig. 2）：(a)等效电路图及工作机理：(a1)305 nm的紫外光和(a2)Mini-LED产生的460 nm可见光的EL光谱；(a3)无305 nm紫外光激发时光晶体管关闭；(a4)有紫外光激发时光晶体管开启；(b)输入偏压、外部紫外光信号与可见光信号的逻辑关系示意图；(c)紫外激发光源的光功率随注入电流的变化关系；(d)不同紫外光功率下Mini-LED的电致发光光谱。
针对上述挑战，研究团队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。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。如图1所示，研究者利用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。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。
当无紫外光照时，器件在10 V偏压下的正向电流低于1.4×10⁻⁴ mA，确保了器件的低功耗和“常关”安全特性。当器件处于1.3 mW紫外光照条件下时，可将其放大为蓝色的可见光，实现高达32.7倍的光功率转换效率和49.8倍的光子数转换效率。这意味着即使是微弱的紫外光，也能被放大为人眼可见的明亮蓝光（见图2）。研究团队指出，这一成果作为两端器件，便于转移至柔性衬底，为开发低成本、高集成度的可穿戴紫外光预警设备提供了全新的技术路径。此外，该技术还可拓展至紫外光通信和可见光通信领域。通过进一步优化材料生长和器件结构以缩短响应时间、提高灵敏度，这项技术将让看不见的紫外光真正变得“可见”，在个人健康防护、特殊环境预警等领域发挥重要作用。
图2（见原文Fig. 5）：(a)不同正向偏压下的噪声功率密度；(b)不同紫外光功率下Mini-LED的光功率随偏压的变化；(c)不同紫外光功率下Mini-LED的外量子效率随偏压的变化；(d)可见光与紫外光光子数比随注入电流的变化；(e)可见光与紫外光功率转换效率随注入电流的变化。
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通讯作者。广东工业大学集成电路学院为论文第一完成单位。
