Основной сферой научных интересов Вилисова А.А. является физика и технология полупроводниковых приборов и их применений.
Здесь вся цепочка от исследования принципов работы приборов до серийного освоения и особенностей их применения.
Большая часть исследований и разработок проводилась по постановлениям Правительства СССР и РФ, Президиума АН СССР, решений ВПК СССР. Работы выполнялись как за счёт госбюджета, так хозяйственных договоров с предприятиями различных ведомств.

Исследования и разработка точечно-контактных диодов на арсениде галлия.

Основным технологическим процессом, коренным образом изменяющим свойства контакта, является электрическая формовка. Было установлено, что с увеличением тока формовки (или длительности импульса тока, уменьшения радиуса закругления металлической иглы и пр.) структура контакта М-GaAs в последовательности: М-Д-П → барьер Шоттки → P-N- переход→ туннельный P-N- переход.

По результатам этих исследований были разработаны и внедрены в серийное производство:

• варакторный (параметрический) СВЧ диод (это была первая ОКР в НИИПП);
• импульсный быстродействующий диод субнаносекундного диапазона.

Производство и поставки этих импульсных диодов разработчикам радиоизмерительной аппаратуры (ГНИПИ, г.Горький; ВНИИРИП, г.Вильнюс) позволили в несколько раз увеличить полосу пропускания стробоскопических осциллографов.

Эти исследования были обобщены в кандидатской диссертации (1968г.).

Полупроводниковые фотоприёмники

Разрабатывались фотодиоды (ФД) на разных полупроводниковых материалах: Ge, Si, GaSb, GaAs, InP, твёрдые растворы AlGaSb, AlGaAs, InGaAsP и др.

В качестве активной области создавались и исследовались структуры: барьер Шоттки, p-n-переход, p-i-n-переход, гетеропереходы – Ge-GaAs, GaSb-AlGaSb, GaAs-AlGaAs, InP-InGaAsP и др.

Германиевые фотодиоды (ФД)

• Были разработаны ФД с охранным p-n-переходом (изобретение), что позволило уменьшить шумы ФП устройств в целом;
• Создание координатно-чувствительных ФД на основе продольного фотоэффекта, образцы которых использовались заказчиками (например, СКБ «Оптика», г.Томск) для каких то серьёзных целей.

Кремниевые ФД

Значимый результат – разработка ФД с внутренним переотражением излучения (пакет изобретений). ФД имел быстродействие лучше 0,5 нс и повышенную чувствительность на длинноволновом краю поглощения Si (λ= 1,06 мкм). Была получена рекордная совокупность параметров. ФД внедрены в производство (НИИПП) при освоении оптрона АОД107. Благодаря использованию в составе оптрона разработанного в СФТИ фотодиода получены рекордные значения коэффициента передачи для оптронов без внутреннего усиления.

В дальнейшем эти фотодиоды применялись в разработках широкополосных линий связи с открытым каналом.

Приборы с гетеропереходом (ГП) Ge-GaAs

Разработан метод изготовления ГП (сплавление) для получения диода с S-образной вольтамперной характеристикой. Диод имел гигантскую фоточувствительность (до 10⁸ В/Вт) и мог использоваться как фотопереключатель.

Излучающие диоды (СД)

Разработано и внедрено в серийное производство много серий излучающих диодов:

• СД в специализированной конструкции оптического разъёма для всех окон прозрачности оптического волокна;
• мощные ИК диоды для оптических линий связи с открытым каналом и для приборов дальнего ночного видения;
СД, устойчивые к повышенным уровням радиации.

Интегральные оптоэлектронные устройства

• ИК диод, в качестве подложки для которого использован Si ФД. Устройство позволяет контролировать стабильность мощности излучения при меняющихся внешних условиях др.
• Светофотодиод на специально разработанных структурах из AlGaAs, который может исполнять функции как излучателя, так и фотоприёмника в оптических линиях передачи информации (полудуплексный режим)
• Миниатюрный двухволновый СД для спецприменения. По результатам его использования заказчик (одна из в/ч) прислал благодарственное письмо командира.

Светодиодные устройства

• лампы различного назначения: малогабаритные осветительные для спецтехники, лампы для спасжилетов и др.
• участие в разработке «Лампочки томича».

Светодиодные физиотерапевтические аппараты

• аппараты светотерапии серии «Геска», в том числе с комплексным воздействием свето-магнитных полей;
• аппараты для внутриполостного свето-, магнито- и электровоздействия;
• модернизация «кремлёвской таблетки» с включением в неё миниатюрных СД для воздействия на ЖКТ.

Практически все разработки защищены патентами и большинство из них внедрены в серийное производство.

Результаты исследований и разработок по светодиодной тематике обобщены в докторской диссертации.