Depuis 1962, il travaille dans le domaine des semi-conducteurs, et plus particulièrement des hétérostructures. Ses travaux dans la physique et la technologie des semi-conducteurs à hétérostructures, et plus particulièrement l'étude des propriétés d'insertions, le développement de lasers, de cellules solaires, de DEL et de procédés d'épitaxie ont contribué à l'avènement de la physique des semi-conducteurs modernes.
Il est colauréat avec Herbert Kroemer d'une moitié du prix Nobel de physique de 2000 (l'autre moitié a été remise à Jack Kilby) « pour des travaux de base dans les technologies de l'information et des communications [...] pour le développement d’hétérostructures semi-conductrices pour l’électronique rapide et l’opto-électronique ».