В состав полупроводниковых гетероструктур входят элементы II–VI групп (Zn, Cd, Hg, Al, Ga, In, Si, Ge, P, As, Sb, S, Se, Te), соединения A^IIIB^V и их твердые растворы, а также соединения A^IIB^VI. Из соединений типа A^IIIB^V наиболее часто используются GaAs и GaN, из твердых растворов — Al_xGa_1-xAs. Использование твердых растворов позволяет создавать гетероструктуры с непрерывным, а не скачкообразным изменением состава и, соответственно, непрерывным изменением ширины запрещенной зоны.

Для изготовления гетероструктур важно согласование (близость по величине) параметров кристаллической решетки двух контактирующих соединений (веществ). Если два слоя соединений с сильно различающимися постоянными решетки выращиваются один на другом, то при увеличении их толщины на границе раздела появляются большие деформации и возникают дислокации несоответствия. В связи с этим для изготовления гетероструктур часто используют твердые растворы системы AlAs–GaAs, так как арсениды алюминия и галлия имеют почти одинаковые параметры решетки. В этом случае монокристаллы GaAs являются идеальной подложкой для роста гетероструктур. Другой естественной подложкой является InP, который применяется в комбинации с твердыми растворами GaAs–InAs, AlAs–AlSb и др.

Прорыв в создании тонкослойных гетероструктур произошел с появлением технологии роста тонких слоев методами молекулярно-лучевой эпитаксии, химического осаждения из паров металлоорганических соединений и жидкофазной эпитаксии. Появилась возможность выращивать гетероструктуры с очень резкими границами раздела, расположенными настолько близко друг к другу, что в промежутке между ними определяющую роль играют размерные квантовые эффекты. Области подобного типа называют квантовыми ямами, реже — квантовыми стенками. В квантовых ямах средний узкозонный слой имеет толщину несколько десятков нанометров, что приводит к расщеплению электронных уровней вследствие эффекта размерного квантования. Гетероструктуры, в особенности двойные, позволяют управлять такими фундаментальными параметрами полупроводников, как ширина запрещенной зоны, эффективная масса и подвижность носителей заряда, электронный энергетический спектр.