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International audience; Terahertz (THz) spin-to-charge conversion has become an increasingly important process for THz pulse generation and as a tool to probe ultrafast spin interactions at magnetic interfaces. However, its relation to traditional, steady state, ferromagnetic resonance techniques is poorly understood. Here we investigate nanometric trilayers of Co/X/Pt (X=Ti, Au or Au0:85W0:15) as a function of the 'X' layer thickness, where THz emission generated by the inverse spin Hall effect is compared to the Gilbert damping of the ferromagnetic resonance. Through the insertion of the 'X' layer we show that the ultrafast spin current injected in the non-magnetic layer defines a direct spin conductance, whereas the Gilbert damping leads to an effective spin mixing-conductance of the trilayer. Importantly, we show that these two parameters are connected to each other and that spinmemory losses can be modeled via an effective Hamiltonian with Rashba fields. This work highlights that magneto-circuits concepts can be successfully extended to ultrafast spintronic devices, as well as enhancing the understanding of spin-to-charge conversion processes through the complementarity between ultrafast THz spectroscopy and steady state techniques.

We will present an alternative method for spin-torque measurements and spin-currents interface characterization in a pure DC configuration measurement. It consists in consists in developing an home-made NiFe-based 4-branches AMR Wheatstone bridge sensors with a specific design allowing opposite spin-current flow in each of the opposite bridge arms. We have experimented the method on well-characterized NiFe(10nm)/Pt as well as NiFe(10nm)/Pt/Au:W systems reliable for spin-torque and THz emission. If the field-like torque and Oersted field simply manifest by a shift in the characteristic transfer of the sensors, the antidamping torque is generally more subtle to evidence. We will present the characteristics of the developed sensors in terms of sensitivity and angular resolution below 0.05°. We will present in details the specific method and protocol measurements in the out-of-plane field geometry allowing from specific symmetry considerations the extraction of the antidamping component, linear in the current density and with a magnitude of 10 G for a current density of 3x1011 A.cm-2. The amplitude of the spin-torque measured is in close agreement with the expectations [7] and with models including spin-memory loss effects like recently revealed by spin-pumping FMR experiments [4]. References: [1] I.M. Miron et al., Nat Mater. 9, 230 [2010]. [2] Frances Hellman et al., Rev. Mod. Phys. 89, 025006 [2010]. [3] J.-C. Rojas-Sanchez et al., Phys. Rev. Lett. 112, 106602 [2014]. [4] A. J. Berger et al., Phys. Rev. B 98, 024402 [2018]. [5] L. Liu et al., Phys. Rev. Lett. 106, 036601 [2011]. [6] K. Garello et al., Nat.Nano. 8, 587 (2013)[7] T. Seifert et al., Nat. Phot. 10, pages 483–488 [2016].

International audience; Optimization of spin-lasers relies on the proper design of the active medium but also on a thorough understanding of the vectorial dynamics of the electromagnetic field in the laser cavity itself. A vectorial approach based the Jones formalism associated to the resonant condition of the field in the laser cavity is derived in order to draw the main guidelines for developing functional spin-controlled VCSELs. This general modelling framework, which accounts for spin injection effects as a gain circular dichroism in the active medium, shows that any residual phase anisotropy in the laser has a detrimental role on polarization switching. The same framework, is used to propose two solutions enabling to overcome this drawback: either by compensating the phase anisotropy or by preparing the laser cavity so that its eigenstates are circularly polarized. Moreover, unlike in spin-LED, we show that the leverage effect existing in the laser due to eigenmodes coupling makes it possible to switch the laser from a polarized oscillation to the orthogonal one despite the weak spin injection efficiency due to spin decoherence. All these predictions are confirmed using external cavity VCSELs which offer an ideal playing field for experimental investigations. Based on these developments, future trends towards the achievement of efficient and compact spin-lasers will be given.

Non-local carrier injection/detection schemes lie at the very foundation of information manipulation in integrated systems. This paradigm consists in controlling with an external signal the channel where charge carriers flow between a "source" and a well separated "drain". The next generation electronics may operate on the spin of carriers instead of their charge and germanium appears as the best hosting material to develop such a platform for its compatibility with mainstream silicon technology and the long electron spin lifetime at room temperature. Moreover, the energy proximity between the direct and indirect bandgaps allows for optical spin injection and detection within the telecommunication window. In this letter, we demonstrate injection of pure spin currents (\textit{i.e.} with no associated transport of electric charges) in germanium, combined with non-local spin detection blocks at room temperature. Spin injection is performed either electrically through a magnetic tunnel junction (MTJ) or optically, exploiting the ability of lithographed nanostructures to manipulate the distribution of circularly-polarized light in the semiconductor. Pure spin current detection is achieved using either a MTJ or the inverse spin-Hall effect (ISHE) across a platinum stripe. These results broaden the palette of tools available for the realization of opto-spintronic devices., Comment: 14 pages and 5 figures

In this paper we report birefringence measurements of an optically pumped (100)-oriented InGaAs/GaAsP multiple quantum well (MQWs) Vertical External Cavity Surface Emitting Laser (VECSEL) in oscillating conditions. The proposed technique relies on the measurement in the microwave domain of the beatnote between the oscillating mode and the amplified spontaneous emission of the cross-polarized non-lasing field lying in the following longitudinal mode. This technique is shown to offer extremely high sensitivity and accuracy enabling to track the amount of residual birefringence according to the laser operation conditions. The experience fits within the broader framework of polarization selection in spin-injected lasers.

International audience

International audience; We have studied the boron B diffusion in MgO/CoFeB bilayer by x-ray photoelectronspectroscopy depth analysis. A large concentration of B B/Mg=0.16 was found to diffuse into theMgO barrier after 350 °C annealing. The boron in MgO is in a highly oxidized B3+ state and ishomogenously distributed in the whole barrier. The important B diffusion in MgO could be relatedto the CoFeB crystallization process which begins from the under CoFeB/Ru interface and pushesboron atoms to diffuse into the MgO barrier during annealing.

International audience; Soon afterwards the discovery of the giant magnetoresistance in metallic multilayers, researchers have attempted to integrate spintronic properties with semiconductor materials. They came up against several difficulties related to the structural and electronic properties of the ferromagnetic metal-semiconductor interface. We will report on the recent progress made in this field of spintronic with semiconductors. First of all we will explain the interfacial resistance conditions required to inject and detect efficient spin current in a semiconductor and in a second part we will show that efficient spin injection experiments have been now achieved thanks to the addition of a tunnel resistance at the interface. We will then report on the magnetoresistance experiment performed with diluted magnetic semiconductors as ferromagnetic material. This type of material can constitute an alternative road to achieving electrical control spintronic devices. Finally, we will finish by reporting on research for a highly spin-polarized source to inject spin-polarized current in a semiconductor. It will be mainly focused on tunnel magnetoresistance junctions with semiconductor barriers and hot electron transistor. To cite this article: J.-M. George et al., C R. Physique 6 (2005). (c) 2005 Academie des sciences. Published by Elsevier SAS. All rights reserved.

Reversing the magnetization of a ferromagnet by spin transfer from a current, rather than by applying a magnetic field, is the central idea of an extensive current research. After a review of our experiments of current-induced magnetization reversal in Co/Cu/Co trilayered pillars, we present the model we have worked out for the calculation of the current-induced torque and the interpretation of the experiments.

Conventional spintronics generally uses magnetic materials to produce a spin current from a current of charge. Another means, more recently studied, is the use of spin-orbit coupling (SOC). It makes possible to produce a pure current of spin in a direction transverse to the charge current, taking into account the principles of relativistic quantum mechanics. In materials with strong spin-orbit coupling, the spin currents are large enough to imagine using them for magnetic switching in spintronic devices. The spin-orbit coupling, corresponding to a relativistic correction in the equations of motion of the electron, a spin 1/2 particle, can be large in materials containing heavy atoms. This means that a conversion from charge current to spin current can be obtained using the properties of SOC systems such as platinum (Pt), tungsten(W) or tantalum (Ta) for example. Recently 2 dimensionnal electronic gas (2DEG), obtained at particular interfaces or surfaces, have demonstrated properties allowing particularly effective inter-conversion effects. In particular Rashba states or topological insulator systems, are currently arousing a strong interest in the spintronics community for this faculty of spin-charge conversion.In this particular context, over the last ten years or so, topological insulators have been studied for their electronic properties which are rooted in the theoretical definition of the integer quantum Hall effect given by Thouless, as well as in the work of Haldane in graphene and Kane in low bandgap semiconductor systems with a strong SOC. These systems have intriguing electrical properties: they are insulating in volume and conductive on the surfaces. These conductivity states have a linear energy dispersion as a function of the k-wave vector, as in the case of the graphene, with a determined spin helicity.Nevertheless, many questions remain open as the understanding of the mechanisms at the origin of these states of surface conduction, but also as to the simplest way to detect these topological states. In order to integrate in spintronic devices and to realize TI/Ferromagnetic materials interface, a number of questions arise: how to preserve the nature of the topological states at the interface? What materials should be used and what is the atomic nature of the interface (inter-mixing) ? What are the electronic exchanges at the interface? Etc.One of the applications using the properties of topological insulators, is to use the conversion properties of the charge current to spin current in order to modify or switch the magnetization of a ferromagnetic element or memory deposited directly (or separated by a buffer layer) on the topological material itself. Such a two-layer system or multilayer should be capable of integration into a magnetic random access memory (MRAM) or of increasing the potential of disks (SSD) due to the permanent and non-volatile nature of the magnetisation state of the material. This is framework of this thesis.; La spintronique classique utilise généralement des matériaux magnétiques pour produire un courant de spin à partir d’un courant de charge. Un autre moyen, plus récemment étudié, consiste à utiliser le couplage spin-orbite (SOC). Il permet de produire un courant de spin pur selon une direction transverse au courant de charge en tenant compte des principes de la mécanique quantique relativiste. Dans les matériaux à fort couplage spin-orbite, les courants de spin ainsi produits sont suffisamment importants pour imaginer les utiliser pour la commutation magnétique dans les dispositifs spintroniques. Le couplage spin-orbite, correspondant à une correction relativiste dans les équations du mouvement de l’électron, particule de spin 1/2, peut être grand dans des matériaux contenant des atomes lourds. Cela signifie qu’une conversion du courant de charge en courant de spin peut être obtenue en utilisant les propriétés de systèmes à fort SOC tel que le platine (Pt), le tungstène (W) ou le tantale (Ta), par exemple. Depuis peu, des systèmes électroniques bidimensionnels (2DEG), obtenus au niveau d’interfaces ou de surfaces particulières, ont démontré des propriétés permettant des effets d’inter-conversion particulièrement efficaces. En particulier des états Rashba ou des systèmes d’isolants topologiques, suscitent actuellement un fort engouement dans la communauté de la spintronique pour cette faculté d’inter-conversion spin-charge.Dans ce cadre particulier, depuis une dizaine d’années, les isolants topologiques ont été étudiés pour leurs propriétés électroniques non conventionnelles qui prennent racine dans la définition théorique de l’effet Hall quantique entier donnée par Thouless, ainsi que dans les travaux de Haldane dans le graphène et de Kane dans des systèmes semi-conducteurs à faible bande interdite pourvus d’un SOC fort. Ces systèmes 2D présentent des propriétés électriques intrigantes : ils sont isolants en volume et conducteurs en surface. Ces états de conductions sont pourvus d’une dispersion linéaire en énergie en fonction du vecteur d’onde k, comme dans le cas du graphène, avec une hélicité en spin déterminée.De nombreuses questions restent néanmoins ouvertes quant à la compréhension des mécanismes à l’origine de ces états de conduction en surface, mais également quant à la manière la plus simple de détecter ces états topologiques. En vue de leur intégration dans des dispositifs spintroniques et de la réalisation d’interface TI/Matériaux ferromagnétiques un certain nombre de questions se posent : comment préserver la nature des états topologiques à l’interface ? Quels matériaux utiliser et quelle est la nature atomique de l’interface (diffusion atomique) ? Quels sont les échanges électroniques à l’interface ? Etc.L’une des applications utilisant les propriétés des isolants topologiques, est d’utiliser les propriétés de conversion du courant de charge en courant de spin (et vice versa) afin de modifier ou commuter l’aimantation d’un élément ou mémoire ferromagnétique déposé directement (ou séparé par une couche tampon) sur le matériau topologique lui-même. Un tel système de bicouches ou multi-couches devrait être capable de s’intégrer dans une mémoire vive magnétique (MRAM) ou d’accroître le potentiel des disques électroniques (SSD) en raison du caractère permanent et non volatile de l’état d’aimantation du matériau. C’est dans ce cadre que s’inscrit cette thèse.

Conventional spintronics generally uses magnetic materials to produce a spin current from a current of charge. Another means, more recently studied, is the use of spin-orbit coupling (SOC). It makes possible to produce a pure current of spin in a direction transverse to the charge current, taking into account the principles of relativistic quantum mechanics. In materials with strong spin-orbit coupling, the spin currents are large enough to imagine using them for magnetic switching in spintronic devices. The spin-orbit coupling, corresponding to a relativistic correction in the equations of motion of the electron, a spin 1/2 particle, can be large in materials containing heavy atoms. This means that a conversion from charge current to spin current can be obtained using the properties of SOC systems such as platinum (Pt), tungsten(W) or tantalum (Ta) for example. Recently 2 dimensionnal electronic gas (2DEG), obtained at particular interfaces or surfaces, have demonstrated properties allowing particularly effective inter-conversion effects. In particular Rashba states or topological insulator systems, are currently arousing a strong interest in the spintronics community for this faculty of spin-charge conversion.In this particular context, over the last ten years or so, topological insulators have been studied for their electronic properties which are rooted in the theoretical definition of the integer quantum Hall effect given by Thouless, as well as in the work of Haldane in graphene and Kane in low bandgap semiconductor systems with a strong SOC. These systems have intriguing electrical properties: they are insulating in volume and conductive on the surfaces. These conductivity states have a linear energy dispersion as a function of the k-wave vector, as in the case of the graphene, with a determined spin helicity.Nevertheless, many questions remain open as the understanding of the mechanisms at the origin of these states of surface conduction, but also as to the simplest way to detect these topological states. In order to integrate in spintronic devices and to realize TI/Ferromagnetic materials interface, a number of questions arise: how to preserve the nature of the topological states at the interface? What materials should be used and what is the atomic nature of the interface (inter-mixing) ? What are the electronic exchanges at the interface? Etc.One of the applications using the properties of topological insulators, is to use the conversion properties of the charge current to spin current in order to modify or switch the magnetization of a ferromagnetic element or memory deposited directly (or separated by a buffer layer) on the topological material itself. Such a two-layer system or multilayer should be capable of integration into a magnetic random access memory (MRAM) or of increasing the potential of disks (SSD) due to the permanent and non-volatile nature of the magnetisation state of the material. This is framework of this thesis.; La spintronique classique utilise généralement des matériaux magnétiques pour produire un courant de spin à partir d’un courant de charge. Un autre moyen, plus récemment étudié, consiste à utiliser le couplage spin-orbite (SOC). Il permet de produire un courant de spin pur selon une direction transverse au courant de charge en tenant compte des principes de la mécanique quantique relativiste. Dans les matériaux à fort couplage spin-orbite, les courants de spin ainsi produits sont suffisamment importants pour imaginer les utiliser pour la commutation magnétique dans les dispositifs spintroniques. Le couplage spin-orbite, correspondant à une correction relativiste dans les équations du mouvement de l’électron, particule de spin 1/2, peut être grand dans des matériaux contenant des atomes lourds. Cela signifie qu’une conversion du courant de charge en courant de spin peut être obtenue en utilisant les propriétés de systèmes à fort SOC tel que le platine (Pt), le tungstène (W) ou le tantale (Ta), par exemple. Depuis peu, des systèmes électroniques bidimensionnels (2DEG), obtenus au niveau d’interfaces ou de surfaces particulières, ont démontré des propriétés permettant des effets d’inter-conversion particulièrement efficaces. En particulier des états Rashba ou des systèmes d’isolants topologiques, suscitent actuellement un fort engouement dans la communauté de la spintronique pour cette faculté d’inter-conversion spin-charge.Dans ce cadre particulier, depuis une dizaine d’années, les isolants topologiques ont été étudiés pour leurs propriétés électroniques non conventionnelles qui prennent racine dans la définition théorique de l’effet Hall quantique entier donnée par Thouless, ainsi que dans les travaux de Haldane dans le graphène et de Kane dans des systèmes semi-conducteurs à faible bande interdite pourvus d’un SOC fort. Ces systèmes 2D présentent des propriétés électriques intrigantes : ils sont isolants en volume et conducteurs en surface. Ces états de conductions sont pourvus d’une dispersion linéaire en énergie en fonction du vecteur d’onde k, comme dans le cas du graphène, avec une hélicité en spin déterminée.De nombreuses questions restent néanmoins ouvertes quant à la compréhension des mécanismes à l’origine de ces états de conduction en surface, mais également quant à la manière la plus simple de détecter ces états topologiques. En vue de leur intégration dans des dispositifs spintroniques et de la réalisation d’interface TI/Matériaux ferromagnétiques un certain nombre de questions se posent : comment préserver la nature des états topologiques à l’interface ? Quels matériaux utiliser et quelle est la nature atomique de l’interface (diffusion atomique) ? Quels sont les échanges électroniques à l’interface ? Etc.L’une des applications utilisant les propriétés des isolants topologiques, est d’utiliser les propriétés de conversion du courant de charge en courant de spin (et vice versa) afin de modifier ou commuter l’aimantation d’un élément ou mémoire ferromagnétique déposé directement (ou séparé par une couche tampon) sur le matériau topologique lui-même. Un tel système de bicouches ou multi-couches devrait être capable de s’intégrer dans une mémoire vive magnétique (MRAM) ou d’accroître le potentiel des disques électroniques (SSD) en raison du caractère permanent et non volatile de l’état d’aimantation du matériau. C’est dans ce cadre que s’inscrit cette thèse.

This Ph.D Thesis proposes to explore a new paradigm of spin-information propagation over very long distances after encoding on coherent light polarization. The main objective of this manuscript is to provide a detailed study of spin-injection into III-V semiconductor based opto-electronic devices with vertical geometries. To achieve this goal, we focus on the study of optical and electrical spin-injection in III-V semiconductor based Light Emitting Diodes (LEDs) and Vertical External Cavity Surface Emitting Lasers (VECSELs). Our investigations and results are presented on three axes.The first part regroups a state-of-the-art of spin-injection into semiconductors optoelectronic devices and focuses on the physical phenomena engaged in the conversion of a spin accumulation into light polarization information. A discussion on spin-injection and spin-transport into III-V semiconductor structures is followed by a more device-oriented review on spin-injection in LEDs and VCSELs.The second axis is articulated around our experimental work on the development and the optimization on III-V semiconductors LEDs of an ultra-thin MgO/CoFeB/Ta spin-injector with perpendicular magnetization at magnetic remanence. We focus on the MgO tunnel barrier optimization for maximizing the spin-injection efficiency and further detailed the development and the characterization of the spin-injector with perpendicular magnetization at remanence.Finally, the third part contains the main work of this Ph.D thesis. It is fully dedicated to our experimental research on spin-injection in Vertical External Cavity Surface Emitting Laser structures. A vectorial model allowing the theoretical understanding of polarization selection in spin-injected VECSELs is first introduced. Next, we report the birefringence measurement of a VECSEL designed for optical pumping using an original frequency detuning measurement between the two orthogonal TE- and TM-modes. Afterward, our observations and results on optical spin-injection in VECSELs are displayed, analyzed and commented. The study is farther extended to the measurement of the system's characteristic lifetimes using Time Resolved Photo-Luminescence in order to evaluate the spin-information conversion efficiency. Finally the preliminary results on electrical spin-injection experiment are presented.; Cette thèse de doctorat propose d'explorer un nouveau paradigme de propagation de l'information de spin sur de très longues distances après encodage sur la polarisation de lumière cohérente. L'objectif principal de ce manuscrit est de fournir une étude détaillée de l'injection de spin dans des composants optoélectroniques III-V à géométrie verticale. Pour atteindre cet objectif, nous nous concentrons sur l'étude de l'injection optique et électrique de spin dans des structures « Light Emitting Diodes » (LEDs) et des structures « Vertical External Cavity Surface Emitting Lasers » (VECSELs) à base de semiconducteurs III-V. Nos investigations et résultats sont présentés suivant trois axes majeurs.La première partie regroupe un état de l'art sur l'injection de spin dans les composants optoélectroniques III-V et se concentre sur les phénomènes physiques engagés dans la conversion d'une accumulation de spin en information de polarisation lumineuse. Une discussion sur l'injection et le transport de spin dans des structures semi-conductrices est suivie par une analyse orientée-composant sur l'injection de spin dans les LEDs et les VCSELs.La deuxième axe s'articule autour de notre travail expérimental sur le développement et l'optimisation sur LEDs III-V d'un injecteur de spin MgO/CoFeB/Ta ultra-fin présentant une aimantation perpendiculaire à la rémanence magnétique. Nous nous focalisons en premier lieu sur l'optimisation de la barrière tunnel MgO pour maximiser l'injection de porteurs polarisés en spin et détaillons par la suite le développement et la caractérisation d’un injecteur de spin possédant une aimantation perpendiculaire à la rémanence magnétique.La troisième partie contient le travail principal de cette thèse de doctorat. Elle est entièrement consacrée à notre recherche expérimentale sur l'injection de spin dans les structures « Vertical External Cavity Surface Emitting Lasers ». Nous commençons par introduire un model vectoriel permettant la compréhension théorique de la sélection de polarisation dans les structures VECSELs injectées en spin. Nous rapportons ensuite la mesure de biréfringence d'une structure VECSEL designée pour le pompage optique en utilisant une technique expérimentale originale basée sur la mesure du décalage en fréquence entre les deux modes de polarisation orthogonaux TE et TM. Ultérieurement, nos observations et résultats sur l'injection optique de spin dans les VECSELs sont détaillés, analysés et commentés. L'étude est étendue à l'estimation des temps de vie caractéristiques du système par mesures de Photoluminescence résolues en temps afin d'évaluer l'efficacité de conversion de l'information de spin. Pour finir, les résultats préliminaires sur l'injection électrique de spin dans les VECSELs sont présentés.

The ability to inject spin-polarized carriers into a semiconductor (SC) by electrical means and to convert a spin accumulation into an electrical signal is expected to bring new functionalities. It has been shown that the efficient injection of spin-polarized carriers from a ferromagnetic transition metal (FM) into a SC requires the addition and the fine tuning of a spin-conserving resistance at the FM/SC interface. We've carried out a systematic study about the spin accumulation as a function of the modification of the interfacial properties by probing several semiconductor materials such as GaAs and Ge contacted with tunnel insulator (I)/FM injectors like MgO/CoFeB, Al2O3/Co and Al2O3/NiFe. Three-terminal magnetoresistance (MR) measurements in Hanle and inverted Hanle configuration reveal the influence of a fluctuating magnetic field leading to spin's decoherence. This produces an artificial broadening of the Hanle signal that implies an under-estimation of the extracted spin life-time, as well as an appearing spin accumulation amplitude several orders of magnitude larger than expected. These effects can be interpreted through a sequential injection on localized electronic states close to the SC/I interface. Spatial confinement of these states can explain the high amplitude of the observed signal. Studies in function of voltage and temperature are supporting this mechanism. Magnetic simulations of the fluctuating field originated from stray fields due to interface roughness, or hyperfine field on localized states have been carried out and succeed to reproduce our results qualitatively., La possibilité d'injecter électriquement des porteurs polarisés en spin dans un semiconducteur (SC) et de convertir une accumulation de spin en un signal électrique ouvre la voie à de nouvelles fonctionnalités. Il a été montré que l'injection efficace de porteurs depuis un métal de transition ferromagnétique (FM) vers un SC requiert la présence d'une résistance optimisée conservant le spin à l'interface FM/SC. Nous avons mené une étude systématique de l'accumulation de spin par rapport à la modification des propriétés d'interface en sondant différents semiconducteurs tels que GaAs et Ge ainsi que des injecteurs isolant tunnel (I)/FM MgO/CoFeB, Al2O3/Co et Al2O3/NiFe. Nos mesures de magnétorésistance (MR) en géométrie 3 terminaux, en configuration Hanle ou Hanle inverse, ont révélé l'existence d'un champ magnétique fluctuant créant une dépolarisation du spin. Ceci provoque un élargissement artificiel du signal Hanle qui amène dans ce cas à sous-estimer la mesure du temps de vie de spin, ainsi qu'une amplitude d'accumulation de spin plusieurs ordres de grandeur plus forte que prédit théoriquement. Ces effets peuvent s'interpréter par une injection séquentielle sur des états localisés proches de l'interface I/SC. Le confinement spatial de ces états permet de comprendre la forte amplitude du signal observé. Les études en fonction de la tension et de la température viennent étayer ce mécanisme. Des simulations magnétiques d'un champ fluctuant lié au champ de fuite induit par la rugosité d'interface ou au champ hyperfin sur les états localisés ont été menées et permettent de reproduire qualitativement nos résultats.

The ability to inject spin-polarized carriers into a semiconductor (SC) by electrical means and to convert a spin accumulation into an electrical signal is expected to bring new functionalities. It has been shown that the efficient injection of spin-polarized carriers from a ferromagnetic transition metal (FM) into a SC requires the addition and the fine tuning of a spin-conserving resistance at the FM/SC interface. We've carried out a systematic study about the spin accumulation as a function of the modification of the interfacial properties by probing several semiconductor materials such as GaAs and Ge contacted with tunnel insulator (I)/FM injectors like MgO/CoFeB, Al2O3/Co and Al2O3/NiFe. Three-terminal magnetoresistance (MR) measurements in Hanle and inverted Hanle configuration reveal the influence of a fluctuating magnetic field leading to spin's decoherence. This produces an artificial broadening of the Hanle signal that implies an under-estimation of the extracted spin life-time, as well as an appearing spin accumulation amplitude several orders of magnitude larger than expected. These effects can be interpreted through a sequential injection on localized electronic states close to the SC/I interface. Spatial confinement of these states can explain the high amplitude of the observed signal. Studies in function of voltage and temperature are supporting this mechanism. Magnetic simulations of the fluctuating field originated from stray fields due to interface roughness, or hyperfine field on localized states have been carried out and succeed to reproduce our results qualitatively.; La possibilité d'injecter électriquement des porteurs polarisés en spin dans un semiconducteur (SC) et de convertir une accumulation de spin en un signal électrique ouvre la voie à de nouvelles fonctionnalités. Il a été montré que l'injection efficace de porteurs depuis un métal de transition ferromagnétique (FM) vers un SC requiert la présence d'une résistance optimisée conservant le spin à l'interface FM/SC. Nous avons mené une étude systématique de l'accumulation de spin par rapport à la modification des propriétés d'interface en sondant différents semiconducteurs tels que GaAs et Ge ainsi que des injecteurs isolant tunnel (I)/FM MgO/CoFeB, Al2O3/Co et Al2O3/NiFe. Nos mesures de magnétorésistance (MR) en géométrie 3 terminaux, en configuration Hanle ou Hanle inverse, ont révélé l'existence d'un champ magnétique fluctuant créant une dépolarisation du spin. Ceci provoque un élargissement artificiel du signal Hanle qui amène dans ce cas à sous-estimer la mesure du temps de vie de spin, ainsi qu'une amplitude d'accumulation de spin plusieurs ordres de grandeur plus forte que prédit théoriquement. Ces effets peuvent s'interpréter par une injection séquentielle sur des états localisés proches de l'interface I/SC. Le confinement spatial de ces états permet de comprendre la forte amplitude du signal observé. Les études en fonction de la tension et de la température viennent étayer ce mécanisme. Des simulations magnétiques d'un champ fluctuant lié au champ de fuite induit par la rugosité d'interface ou au champ hyperfin sur les états localisés ont été menées et permettent de reproduire qualitativement nos résultats.

High quality growth of ferromagnetic metals/III-V semiconductors heterostructures is an interesting challenge since it allows the integration of the robust magnetism of metals to the semiconductor technology. Nevertheless, the growth conditions of these two materials are totally different, making the growth of hybrid structures quiet complicated (i.e. magnetic tunnel junction). Indeed, at the optimal growth temperature of the III-V SC, the diffusion at the FM/SC III-V interface is very important and result in a rough and undefined interface. In order to prevent diffusion at the MF/SC III-V at the interface, the SC is grown at low temperature. The method results in a SC barrier with a poor quality. The low reactivity and high spin polarization at the MnAs/GaAs interface make this couple of materials a good candidate for FM/SC junctions growth. Recently, MnAs nano-clusters embedded in a GaAs matrix showed quite important magnetoresistance effects. After the MnAs clusters, by annealing a GaMnAs/GaAs(001) layer at high temperature (>400 ◦C), others III-V compounds can be grown on top of it, making this granular layer very attractive for magnetic tunnel junction heterostructures growth. We studied magnetic tunnel junctions MnAs/SC III-V/clusters of MnAs in a GaAs matrix (GaAs:MnAs), which the growth conditions of the bottom electrode (in situ annealing of a GaMnAs layer at T>500 ◦C) can significantly increase the structural and chemical quality of the SC barrier. This work can be divided into three parts. Firstly, the growth conditions of GaAs:MnAs/GaAs(001) and MnAs/GaAs(001) layers have been optimized. Then, original studies of magnetic force microscopy and photoemission spectroscopy (in situ and at the ESRF synchrotron) studies have been carried on MnAs/GaAs(001), GaAs:MnAs/GaAs(001) and GaMnAs/GaAs(001) thin films. This measurements lead to important informations to the elaboration of hybrid structures. Finally, the spin polarized transport through MnAs/SC III-V/GaAs:MnAs junctions has been studied., Le couplage d'un métal ferromagnétique (MF) et d'un semiconducteur (SC) permettrait d'intégrer un nouveau degré de liberté - le spin - aux propriétés logiques et optiques des semiconducteurs. Cependant, l'élaboration de jonctions tunnel magnétiques (JTM) couplant ces deux types de matériaux (barrières MF/SC/MF) présente des difficultés majeures. En effet, à la température de croissance optimale de la barrière semiconductrice (∼580 ◦C), le métal de l'électrode inférieure diffuse à travers l'interface pour s'incorporer à la barrière et ainsi réduire les effets de magnétorésistance. Pour éviter l'interdiffusion, la barrière doit être élaborée à basse température. Ce procédé implique l'incorporation d'antisites d'As dans la barrière SC qui réduit, encore une fois, les effets magnétorésistifs. Le couple MnAs/GaAs est considéré comme un bon candidat pour la réalisation de jonction hybride MF/SC /MF à cause de la faible réactivité et de la forte polarisation à l'interface. Afin de faire croître des JTM de bonne qualité chimique et cristalline, nous avons étudié des jonctions tunnel originales où l'électrode inférieure est une couche de clusters de MnAs dans une matrice de GaAs (GaAs:MnAs). Cet électrode est couvert par une barrière de SC III-V et par une électrode supérieure composée par une couche continue de MnAs. Le protocole de croissance de l'électrode inférieure (recuit in situ d'une couche de GaMnAs à T>500řC) permet simultanément de recuire la barrière semiconductrice et d'augmenter considérablement la qualité structurale et chimique de la barrière. Ce travail a été réalisé en trois parties. Dans un premier temps, les conditions d'élaboration de couches de GaAs:MnAs/GaAs(001) et de MnAs/GaAs(001) ont été optimisées. Ensuite, nous avons mené des études originales de microscopie à gradient de force magnétique et de spectroscopie de photoémission (in situ et au synchrotron). Ces mesures ont permis de faire ressortir des informations pertinentes pour l'intégration de ces couches en tant qu'électrode magnétique pour l'électronique de spin. Enfin, une étude du transport tunnel polarisé en spin a été conduite sur des jonctions tunnel MnAs/SC III-V/GaAs:MnAs.