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. / 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.

This work targeted the growth of gadolinium (Gd)-doped gallium nitride (GaN) thin films (Ga₁₋ₓGdₓN) by metal organic chemical vapor deposition (MOCVD). Characterization and evaluation of these Ga₁₋ₓGdₓN thin films for application in spintronics/optoelectronics devices also formed part of this work. This work presents: (1) the first report of stable, reproducible n- and p-type Ga₁₋ₓGdₓN thin films by MOCVD; (2) the first Ga₁₋ₓGdₓN p-n diode structure; and (3) the first report of a room temperature spin-polarized LED using a Ga₁₋ₓGdₓN spin injection layer. The Ga₁₋ₓGdₓN thin films grown in this work were electrically conductive, and co-doping them with Silicon (Si) or Magnesium (Mg) resulted in n-type and p-type materials, respectively. All the materials and structures grown in this work, including the Ga₁₋ₓGdₓN-based p-n diode and spin polarized LED, were characterized for their structural, optical, electrical and magnetic properties. The spin-polarized LED gave spin polarization ratio of 22% and systematic variation of this ratio at room temperature with external magnetic field was observed.

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La spintronique utilisant des matériaux semi-conducteurs est un sujet de recherche très actif. Elle permet de combiner le potentiel des semi-conducteurs avec le potentiel des matériaux magnétiques. Le GaN pourrait être un bon candidat pour des applications en spintronique car le temps de relaxation de spin est très long. La spintronique organique est également un domaine de recherche en plein essor en raison de la longue durée de vie de spin des porteurs de charge ainsi que de leur coût relativement bas, de leur flexibilité et de leur diversité chimique. Dans un premier temps, nous montrerons que la polarisation circulaire de la lumière émise par une LED contenant une couche unique de points quantiques InAs / GaAs (QD) InAs / GaAs dopés p peut atteindre environ 18% sans champ magnétique extérieur. Une corrélation claire est établie entre le degré de polarisation de la lumière émise et l’aimantation perpendiculaire de l’injecteur. La polarisation atteint un maximum pour une polarisation appliquée de 2.5 V à 10 K, ce qui correspond à un courant injecté de 6 µA. En outre, nous observons un comportement remarquable de la polarisation pour un température comprise entre 60K et 80K. L’évolution de la polarisation en fonction de la température est discutée à la lumière de la compétition entre le temps de vie de recombinaison radiative τr et le temps de relaxation de spin τs. De plus, nous avons développé un injecteur de spin présentant une anisotropie magnétique perpendiculaire sur GaN. Nous avons d’abord optimisé la croissance de MgO pour différentes températures du substrat. Nous avons ensuite étudié la croissance de Fe puis de Co sur MgO/GaN. L’injecteur de spin Co(0001)/MgO(111) a été retenu car celui-ci permet d’obtenir un anisotropie magnétique perpendiculaire. De plus, les calculs ab initio ont également montré que l’interface Co/MgO(111) présente une grande anisotropie magnétique. Finalement, nous étudions les MFTJ basés sur une barrière de PVDF organique dopée avec des nano-particules de Fe3O4. Nous avons fabriqué avec succès une multicouche de La0.6Sr0.4MnO3/PVDF:Fe3O4/Co, dans laquelle la barrière organique en poly (fluorure de vinylidène) (PVDF) a été dopée avec des nanoparticules ferromagnétiques de Fe3O4. En modifiant la polarisation du PVDF, l’effet tunnel dans la jonction multiferroïque peut être commuté via la partie LSMO/PVDF/Co (polarisation positive) ou via la partie Fe3O4/PVDF/Co (polarisation négative). Cela correspond à une inversion de la magnétorésistance à effet tunnel (TMR) de + 10% à -50%, respectivement. Notre étude montre que les jonctions tunnel multiferroïques organiques dopées avec des particules magnétiques pourraient créer de nouvelles fonctionnalités en jouant sur l’interaction du magnétisme des nanoparticules avec la ferroélectricité de la barrière organique. / Spintronics with semiconductors is very attractive as it can combine the potential of semiconductors with the potential of the magnetic materials. GaN has a long spin relaxation time, which could be of potential interest for spintronics applications. Organic spintronics is also very appealing because of the long spin lifetime of charge carriers in addition to their relatively low cost, flexibility, and chemical diversity. In this thesis, we investigate spin injection in spin LEDs containing either InAs/GaAs quantum dots or InGaN/GaN quantum wells. Moreover, we further study spin polarized transport in organic multiferroic tunnel junctions (OMFTJs). Firstly, we will show that the circular polarization of the light emitted by a LED containing a single layer of p-doped InAs/GaAs quantum dots (QDs) can reach about 18% under zero applied magnetic field. A clear correlation is established between the polarization degree of the emitted light and the perpendicular magnetization of the injector layer. The polarization reaches a maximum for an applied bias of 2.5V at 10K, which corresponds to an injected current of 6 µA. Also, we report a remarkable behavior of the polarization in the temperature region 60-80K. The interpretation of the bias and temperature dependence of the polarization is discussed in light of the competition between radiative recombination time τr and the spin relaxation time τs. In addition, significant efforts have been devoted to developing a perpendicular spin injector on GaN based materials to achieve spin injection without applying a magnetic field. Firstly, the growth of MgO has been investigated at various growth temperatures. Then, we studied the growth of either Fe or Co on MgO/GaN. In contrast to Fe/MgO, the Co/MgO spin injector yields a clear perpendicular magnetic anisotropy. In addition, ab-initio calculations have been performed to understand the origin of the perpendicular magnetic anisotropy at the Co/MgO(111) interface. Finally, we investigate multiferroic tunnel junctions (MFTJs) based on organic PVDF barriers doped with Fe3O4 nano particles. The organic MFTJs have recently attracted much attention since they can combine advantages of spintronics, organic and ferroelectric electronics. We report on the successful fabrication of La0.6Sr0.4MnO3/PVDF:Fe3O4/Co OMFTJ, where the poly(vinylidene fluoride) (PVDF) organic barrier has been doped with ferromagnetic Fe3O4 nanoparticles. By changing the polarization of the ferroelectric PVDF, the tunneling process in OMFTJ can be switched either through the LSMO/PVDF/Co part (positive polarization) or through the Fe3O4/PVDF/Co part (negative polarization). This corresponds to a reversal of tunneling magnetoresistance (TMR) from +10% to -50%, respectively. Our study shows that the doping of OMFTJs with magnetic nanoparticles can create new functionalities of organic spintronic devices by the interplay of nanoparticle magnetism with the ferroelectricity of the organic barrier.