半導体は電気をある程度だけ通す特別な材料で、シリコンが有名ですが、ガリウムヒ素などを組み合わせた『化合物半導体』は電子がより速く動けることが知られています。アルフョーロフとクレーマーはバンドギャップの異なる薄膜を原子レベルで積層し、界面に電子や光が閉じ込められる『ヘテロ構造』を提案・実証しました。この構造により、従来のトランジスタより100倍近い高周波性能を持つヘテロ接合バイポーラトランジスタや、低いしきい電流で発振する半導体レーザが実現しました。結果として、携帯電話基地局の高感度増幅器や、光ファイバー通信のレーザダイオードが可能となり、情報通信網の高速化を支えています。さらにLEDの高輝度化にも寄与し、信号や表示装置の省エネ化を進めました。これらの応用は社会の情報化とエネルギー効率向上に大きく貢献しています。

ヘテロ構造とは、格子定数やバンドギャップが異なる二つ以上の半導体をエピタキシャル成長によって原子層レベルで接合した多層構造を指します。ガリウムヒ素（GaAs）とアルミニウムガリウムヒ素（AlGaAs）は格子不整合が小さく、界面でキャリア散乱が抑えられるため、電子移動度が極めて高い二次元電子ガスが形成されます。アルフョーロフのグループは1970年代初頭に室温連続発振可能なヘテロ構造レーザを実証し、光ファイバー通信の実用化を決定づけました。一方、クレーマーはヘテロ接合バイポーラトランジスタ（HBT）の理論設計を行い、エミッタ障壁を下げてコレクター‐ベース間の高周波応答を劇的に改善させることを示しました。これにより、数百ギガヘルツ帯域まで動作するマイクロ波増幅器や低雑音受信機が開発され、衛星通信や携帯電話基地局に導入されました。ヘテロ界面に閉じ込められた量子井戸や量子ドットは、量子ホール効果やレーザのしきい電流低減など基礎物理と応用技術の両面で重要な役割を果たしています。現在では分子線エピタキシー（MBE）やメタル有機気相成長（MOCVD）によって、原子一層精度でヘテロ界面を制御することが可能になりました。これらの技術はInP系やGaN系へと拡張され、5G通信、ブルーレーザ、さらには量子情報デバイスへ応用が広がっています。半導体ヘテロ構造は、デバイス物理・材料科学・通信工学など多岐にわたる研究領域のハブとして機能していると言えます。

AlGaAs/GaAs系ヘテロ構造は格子整合性が優れるため、界面欠陥密度が10^2 cm^-2以下まで抑制でき、界面粗さ散乱の影響を事実上無視できる。高いキャリア閉じ込めポテンシャル（ΔEc≈0.3 eV）はHBTにおいてベース幅のスケーリングを許容し、τf=L_b^2⁄2D_nbの短縮を通してf_T>600 GHzを達成した。Alferovらが報告したダブルヘテロ構造レーザでは、光閉じ込め係数Γとキャリア閉じ込め効率η_cが同時に最適化され、室温連続波利得が得られた。光学モードと再結合領域の同位置化により、しきいキャリア密度は単一接合レーザの1⁄5以下に低減する。界面で形成される2DEGはμ>1×10^6 cm^2/Vs(4 K)を示し、整数および分数量子ホール効果の高精度測定に利用される。近年では変調ドープInGaAsチャネルHEMTが開発され、NF<0.5 dBのミリ波受信が可能となった。MOCVDにおけるV/III流量比制御により面内組成ゆらぎを1%未満に抑制できる。周期的多重量子井戸を組み込んだDFBレーザは狭線幅かつ高温安定動作を示し、DWDM光源として採用される。GaN/AlGaNヘテロ構造ではポーラリゼーション誘起2DEGが高密度に生成し、5G/6Gパワーアンプ用途で期待される。以上より、ヘテロ接合物理は高周波・高出力・低閾値光源デバイスの基幹を成す。