Spin polarized transport in semiconductor nanostructures

Jury : Mr Patrick Bruno (rapporteur);Mr Claude Chappert (président); Mr Joël Cibert (rapporteur); Mr Albert Fert (directeur de thèse); Mr Jean-Marie George; Mr Georges LampelIn the field of spin-electronic, the integration of magnetic materials in semiconductor heterostructures is promising for a new generation of electronic devices where two degrees of freedom will be associated: spin and charge of carriers. The outcome of this thesis is an electrical detection of spin injection into a GaAs quantum well. In order to do so, we have first studied thin films of the ferromagnetic semiconductor GaAs doped Mn and GaMnAs-based magnetic tunnel junctions. Magnetic and transport studies on GaMnAs thin films have shown that the magnetic and electronic properties are intimately connected. The spin polarization of carriers (40%) has been established from the magnetoresistance (MR) of the magnetic tunnel junction. Then we have elaborated heterostructures where two GaMnAs electrodes are separated by an AlAs/GaAs/AlAs quantum well. The first GaMnAs ferromagnetic electrode is used to polarize the carriers and the second to analyze the spin-polarized current injected in the quantum well. The MR, in these structures, is attributed to a sequential tunneling with a spin accumulation in the GaAs well. The high MR obtained (40%) is the signature of the spin conservation in the well. The spin lifetime is therefore longer than the tunneling time (time spent by the hole in the well). We have studied the influence of these two times on the MR. These studies have allowed us to establish required conditions to achieve an electrical detection of spins injected in a semiconductor quantum well. These all-electrical experiments have also allowed us to determine the spin lifetime of holes in a GaAs quantum well. Hole spin lifetime in these GaAs quantum well is longer than hundred picoseconds at 4.2K.Cette thèse s'inscrit dans la thématique de l'électronique de spin à base de semiconducteurs. L'intégration de matériaux magnétiques dans des structures semiconductrices représentent actuellement un axe de recherche en plein essor qui amènera probablement une nouvelle génération de composants électroniques où seront associés deux degrés de liberté : la charge et le spin des porteurs. La finalité de ce travail est la détection électrique d'une injection de spins dans un puits de GaAs. Pour cela nous avons préalablement étudié des couches minces du semiconducteur ferromagnétique GaAs substitué Mn et des jonctions tunnel magnétiques GaMnAs/AlAs/GaMnAs. L'étude des couches minces de GaMnAs a permis de mettre en évidence la corrélation entre les propriétés magnétiques et électroniques et les jonctions tunnel ont permis de quantifier la polarisation en spin des porteurs du GaMnAs. Nous avons ensuite élaboré des structures où deux électrodes de GaMnAs sont séparées par un puits quantique AlAs/GaAs/AlAs. La première électrode permet de polariser les porteurs et la seconde d'analyser le courant polarisé en spin injecté dans le puits. La magnétorésistance (MR) dans ces structures est attribuée à un transport tunnel séquentiel avec accumulation de spins dans le puits de GaAs. La forte MR obtenue (40%) est la signature de la conservation du spin dans le puits et traduit ainsi que le temps de vie du spin des trous est supérieur au temps de séjour des trous dans ce puits. Les études de la MR en fonction de ces deux temps caractéristiques ont permis d'établir les conditions nécessaires afin de détecter une injection de spins dans un puits quantique semiconducteur. Ces expériences entièrement électriques nous ont aussi permis d'estimer le temps de vie du spin des trous dans ces puits de GaAs à la centaine de picosecondes à 4.2K