通过激发极化栅光电晶体管使紫外光可见以实现能量传递到基于氮化镓的蓝色发光

将不可见光转为可见警示

紫外（UV）光是一把双刃剑：它可用于水和空气消毒并支撑许多现代技术，但在我们察觉到异常之前，它可能悄然损伤眼睛和皮肤。本文介绍了一种微小芯片，充当电子“翻译器”，将不可见的紫外光转换为人眼容易看到的明亮蓝光。这样的器件可以作为日常物品中的内置警示信号，在存在潜在有害紫外光时提醒人们。

为什么我们需要看到隐藏的光

紫外光广泛用于灭菌、医学传感和通信，但由于人眼看不到它，我们无法直观判断暴露是否过强。传统紫外探测器将入射光转换为电流，然后需要外部电子装置或显示器来读取。这对仪器来说没问题，但不利于快速、直观且面向人的警示。研究者旨在构建一枚简单的芯片，不仅能感测紫外辐射，还能直接将其转化为足够明亮的可见蓝光，作为一个自包含的“紫外转可见”警示像素。

智能光芯片的构造

该器件将生长在蓝宝石晶片上的两部分结合在一起：一个微型蓝色发光二极管（迷你-LED）和一个特殊的紫外敏感晶体管。两者均由基于氮化镓的材料制成，这类材料已广泛应用于商用蓝光和紫外LED。晶体管包含一组精心设计的层堆，在其中一个内界面处晶体结构自然产生内建电荷。这些电荷使关键区域的背景电子耗尽，从而在暗态下有效切断电流通路。巧妙的是，这种“极化栅”取代了独立的控制电极，因此整个系统仅需两个端子，类似简单的LED，从而便于驱动和集成。

不可见光如何触发蓝光

当没有紫外光照射芯片时，极化栅将晶体管保持在关断状态，几乎没有电流到达蓝色迷你-LED。即使施加10伏电压，电流仍然极低，蓝光发射基本不可见。一旦以约305纳米为中心波长的紫外光通过透明绝缘层照射到晶体管区域，就会在该区产生额外的电子和空穴。这些光生载流子削弱了此前阻挡电流的内部电场。结果形成导电通道，电流在器件中激增，蓝色迷你-LED在约460纳米处强烈发光。在入射紫外功率为12.7毫瓦的情况下，输出蓝光达到约81.1毫瓦，对应可见光子数几乎是入射紫外光子数的五十倍。

器件的实际性能

研究人员对芯片的电学和光学行为进行了详尽测量。他们发现在无紫外光时的暗电流极小，有助于探测器将弱紫外信号与背景噪声区分开来。在紫外照射下，电流增加了几个数量级，器件电阻显著下降，确认晶体管被光打开。团队还测试了对短紫外脉冲的响应：在约0.08秒的短暂延迟后，电流和蓝光发射上升，形成清晰的视觉提示。该器件也能对更短波长的深紫外（255和275纳米）作出响应——这些波长能量更高且潜在危害更大，但最低可检测功率仍在毫瓦量级。

面向可穿戴和日常应用的前景

从用户角度看，最重要的结果是微弱紫外光现在可以直接“被看见”为明亮蓝光，而无需额外的读出电子设备。由于极化栅是构建在材料内部的，芯片保留了简单的两端子布局，降低了复杂性，使其更适合未来集成到柔性或可穿戴平台。作者认为，此类器件未来可以嵌入护目镜、服装或表面中，实时警示人们不安全的紫外暴露，甚至可能被改造用于紫外与可见信号之间的简单光通信。

引用: Chu, C., Jiang, Y., He, C. et al. Making UV light visible by exciting polarization-gate phototransistor to achieve energy transfer into GaN-based blue emission. Light Sci Appl 15, 162 (2026). https://doi.org/10.1038/s41377-026-02242-4

关键词: 紫外检测, 氮化镓, 迷你LED, 光电晶体管, 可穿戴光传感器