異質結構和量子設計：莫斯科工程物理學院描述未來電子學

一切從何開始：電子和小孔
有種看法得到廣泛流傳，那就是半導體僅單嚮導電。事實不完全是這樣：半導體或者幾乎不導電，或者向任何方嚮導電，一切取決於溫度、照明，以及是否存在雜質。
半導體二極管完全是另一回事。這種裝置使電流只導向一個方向，它是靠連接各種材料做到這一點的。
向純淨的半導體晶體中摻入雜質，可以把導電性提高幾級。視物質組合而定，負電子（n類）或正電子（p類）將成為電流載流子。
可以通過各種方法摻入雜質。例如，典型的電腦或智能手機的微處理中包含有幾百萬個兩極硅晶體管。為了製造出兩極硅晶體管，通常採用離子植入法--在真空中用驅散離子進行轟炸。
儘管製造技術不複雜，但PN結有自己的缺陷，主要一點是高溫時不穩定。PN結上的激光只有在液態氮的溫度下才能工作。
在通往諾貝爾獎的道路上
俄羅斯國立核研究大學莫斯科工程物理學院電子、自旋電子學和光子學中的納米技術學院工程師尤里·西比爾莫夫斯基介紹說，在異質結中連接著兩種晶體物質，而且接觸點應該是理想的，沒有裂痕和其它缺陷。
他解釋說："這個邊界上的性質差異產生許多有益的現象。與PN結不同的是，加熱對異質結構性質的影響較弱。"
在一個儀器中把不同的半導體連接起來是晶體管發明家威廉·肖克利（William Shockley）於1947年首次提出的。異質結方向的真正突破是由蘇聯學者若列斯·阿爾費羅夫（Zhores Ivanovich Alfyorov）和美籍德裔學者赫伯特·克雷默（Herbert Kroemer）在1960年代分別單獨完成的，後來他們共同獲得了2000年的諾貝爾物理學獎。
電子學中的異質結構
異質結構問題對研發高電子遷移率晶體管（HEMT）來說尤其迫切，高電子遷移率晶體管在衛星通信系統、雷達、移動裝置等超高頻電子設備中極受歡迎。
高電子遷移率晶體管的主要優勢在於電子的移動速度，它確保晶體管的高頻轉換，有助於達到幾十赫茲的範圍之外。要達到這一點，靠的是向系統中添加帶有高電子遷移率(砷化鎵GaAs, 砷化銦InAs)的材料，且雜質位於導電層外面。但砷化鎵（GaAs）和砷化銦（InAs）晶體格的尺寸不重合。因此，異質結構物理學的重要任務是研發緩衝層。

解決方案在於量子設計
為解決這個任務以及其它任務，俄羅斯國立核研究大學莫斯科工程物理學院電子、自旋電子學和光子學中的納米技術學院下屬的分子-射線取向附生和納米光刻實驗室團隊在副教授伊萬·瓦西里耶夫斯基的領導下，在功能層結的基礎上提出了異質結構量子設計原則。
瓦西里耶夫斯基介紹說："狹窄的導層以‘量子勢阱'的方式對電子行動。" 電子被捕捉到這些狹窄導層中，在此情況下，它們的性質按照量子機械律而發生變化。如果同類量子勢阱化學成分的變化已經不能改善材料的性質，那麼出路在於依靠添加成分不同的異質納米層成分或超晶格使結構複雜化。
2018年，俄羅斯國立核研究大學莫斯科工程物理學院電子、自旋電子學和光子學中的納米技術學院的專家們因在石墨烯的基礎上利用導熱氮化鎵(GaN)研發出超高頻加速器而獲得了莫斯科政府獎。
過渡到新材料的有益替代方案可能正好是在砷化物和磷化物的基礎上對異質結構進行量子設計：它不需要昂貴的底板，不需要開發晶體增長新方法，也不需要技術過程複雜化。