Гетеропереходы в полупроводниках – контакты двух различных по химическому составу полупроводников. В таком контакте происходит не только изменение ширины запрещенной зоны, меняются обычно и другие фундаментальные свойства: зонная структура, эффективные массы носителей тока, их подвижности, физико-химические и оптические свойства… В идеальном гетеропереходе на границе раздела перехода отсутствуют дефекты и граничные состояния. Комбинация нескольких гетеропереходов, p-n-переходов в одной монокристаллической структуре, обычно составляющей часть полупроводникового прибора, называется гетероструктурой».

В природе гетероструктур не существует, поэтому их называют кристаллами, сделанными человеком (man-made crystals), в отличие от гомоструктур, «созданных Богом» (God-made crystals).

В 1961 году Алферов защитил кандидатскую диссертацию, которая была посвящена однородным (гомо-) и состоящим из одного химического элемента полупроводникам – германию и кремнию. Однако в начале 1950-х годов Нина Горюнова и Анатолий Регель (и одновременно с ними Велькер в США) открыли полупроводниковые свойства соединения элементов третьей и пятой групп таблицы Менделеева, известных с тех пор как AIII BV. Вскоре появилась идея использовать неоднородные по составу (гетеро-) полупроводники.

Его друг в жизни и науке, товарищ по Физтеху, советский и российский физик, академик РАН Борис Захарченя в своём эссе «Небольшая сага о Жоресе Алферове», прекрасно описал атмосферу и вдохновение, царившие в лаборатории в то время: «После того как Жорес с командой своих сотрудников сделал первый лазер на гетеропереходе, он говорил мне: «Боря, я гетеропереходирую всю полупроводниковую микроэлектронику!»

Начинать пришлось с азов. Алферов попросил теоретика Рудольфа Казаринова прочесть ему лекцию о принципах работы лазера. В результате обсуждения ими 30 марта 1963 года была подана заявка на изобретение полупроводникового лазера на основе гетеропереходов, и в 1966 году было получено авторское свидетельство. Несмотря на простоту и прозрачность идеи, ее практическая реализация была сопряжена с очень большими трудностями.

«Первоначально наши попытки создать ДГС (двойную гетероструктуру) были связаны с решеточно-несогласованной системой галлий-мышьяк-фосфор. Мы успешно изготовили первые лазеры на основе ДГС в этой системе методом газофазной эпитаксии (ГФЭ). Однако из-за несоответствия параметров решетки лазерная генерация, как и в лазерах на гомопереходах, могла осуществляться только при температуре жидкого гелия», – вспоминал Жорес Иванович в нобелевской лекции в 2000 году.

Предстояло искать идеальную гетеропару. «Я хорошо помню эти поиски, – писал далее Борис Захарченя в своей «небольшой саге», – они отдаленно напоминали мне любимую мной в юности повесть Стефана Цвейга «Подвиги Магеллана». Когда я заходил к Алферову в его маленькую рабочую комнату, она вся была завалена рулонами миллиметровой бумаги, на которой неутомимый Жорес с утра до вечера чертил диаграммы в поисках сопрягающихся кристаллических решеток… Поиски были трудными. Более всего подходили полупроводники группы AIIIBV, представляющие собой химические соединения III и V групп таблицы Менделеева. Для идеального гетероперехода подходили арсенид галлия (GaAs – известнейшее в полупроводниковом мире соединение) и арсенид алюминия (AlAs), но последний мгновенно окислялся на воздухе, и о его использовании, казалось, не могло быть и речи. Однако природа щедра на неожиданные подарки…».

Группа Алфёрова (Дмитрий Третьяков, Дмитрий Гарбузов, Ефим Портной, Владимир Корольков и Вячеслав Андреев) несколько лет билась над поиском подходящего для реализации материала, пытаясь изготовить его самостоятельно, но нашли подходящий сложный трехкомпонентный полупроводник почти случайно в соседней лаборатории Н. А. Горюновой. Однако это была «неслучайная» случайность – поиск перспективных полупроводниковых соединений Нина Александровна Горюнова вела направленно, а в вышедшей в 1968 году монографии сформулировала идею «периодической системы полупроводниковых соединений».