L’interaction spin-orbite est un effet relativiste qui couple le déplacement de l’électron à son spin. Ce couplage suscite de grands intérêts dans la physique du solide. En effet, ce couplage permet une propagation de l’information via le spin des électrons et non plus seulement par leur charge, comme c'est le cas en microélectronique traditionnelle. Cette nouvelle approche, plus qu’une simple amélioration des performances, est donc un changement même du support de base de l’information. De nombreuses applications pratiques ont été envisagées. La maîtrise du couplage spin-orbite permettrait le développement de nouveaux systèmes spin-électroniques, ou 'spintroniques', répondant aux enjeux de réduction de consommation d’énergie, par exemple. A plus long terme encore, le contrôle du spin électronique permettrait aussi le codage l’information via une superposition d’état, ce qui ouvrirait la voie à la réalisation de bits quantiques (par analogie au bit binaire d’un ordinateur “classique”) réalisés en matière condensée.De cet intérêt pour le couplage spin-orbite a émergé ces dernières années le sujet des isolants topologiques bidimensionnels, où isolants à effet Hall quantique de spin. Ces isolants particuliers ont été réalisés à partir de matériaux à fort couplage spin-orbite.Les premières réalisations de tels isolants ont été obtenues avec des semi-conducteurs de la famille II-VI. Ces isolants ne survivent alors qu'à très basse température, de l’ordre du Kelvin, à cause de particularités de la structure de bande des II-VI. Cela a motivé notre recherche de nouveaux matériaux candidats pour l’observation de l’effet Hall quantique de spin à plus haute température. Je me suis intéressé lors de ma thèse à des structures à base d’InAs/GaSb, car en plus des prédictions théoriques et premières démonstrations de la validité de ces structures pour l’observation de l’effet Hall quantique de spin, la croissance et la fabrication de dispositifs à base de ces semi-conducteurs III-V est plus répandue que pour les II-VI.Dans le premier chapitre, je présente une revue des travaux récents autour des isolants topologiques, depuis l'émergence de ce sujet avec le graphène jusqu'au début de ce travail. Je développe également les concepts théoriques à la base des expériences présentées dans cette thèse.Dans le chapitre 2, je développe les détails expérimentaux et présente les différentes croissances à base d'InAs/GaSb étudiées. Je détaille également les procédés de fabrication des dispositifs réalisés à partir de ces mêmes croissances.Le chapitre 3 est consacré aux mesures de magnéto-transport pour les différents dispositifs. Je démontre la validité des calculs théoriques de la structure de bande en montrant une nette augmentation de la taille de la bande interdite pour les structures à base d'InAs/GaSb, ainsi que l'existence d'une conduction de bord dont les propriétés sont compatibles avec le caractère topologique attendu pour ces structures.

We report on the emission of Terahertz radiation from Landau quantized Dirac electrons in HgTe/CdHgTe based quantum wells. We show that this cyclotron emission is continuously tunable with magnetic field from 500 GHz up to 2.5 THz. Moreover, given the relativistic nature of charge carriers, the cyclotron mass and therefore the emitted frequency are also tunable with the electron density. These results pave the way for the long-awaited Landau laser which could additionally be tunable by a gate voltage with a fixed magnetic field.

By using the self-consistent Born approximation, we investigate disorder effect induced by shortrange impurities on the band-gap of a seminal two-dimensional (2D) system, whose phase diagram contains trivial, single-band-inverted and double-band-inverted states. Following the density-ofstates (DOS) evolution, we demonstrate multiple closings and openings of the band-gap with the increase of the disorder strength. Calculations of the spectral function describing the quasiparticles at the Γ point of the Brillouin zone evidence that the observed band-gap behavior is unambiguously caused by the topological phase transitions due to the mutual inversions between the first and second electron-like and hole-like subbands. We also find that an increase in the disorder strength in the double-inverted state always leads to the band-gap closing due to the overlap of the tails of DOS from conduction and valence subbands.

Terahertz time-domain spectroscopy (THz-TDS) at room temperature and standard atmosphere pressure remains so far the backbone of THz photonics in numerous applications for civil and defense levels. Plasmonic microstructures and metasurfaces are particularly promising for improving THz spectroscopy techniques and developing biomedical and environmental sensors. Highly doped semiconductors are suitable for replacing the traditional plasmonic noble metals in the THz range. We present a perfect absorber structure based on semiconductor III-Sb epitaxial layers. The insulator layer is GaSb while the metal-like layers are Si doped InAsSb (∼ 5·10 19 cm -3 ). The doping is optically measured in the IR with polaritonic effects at the Brewster angle mode. Theoretically, the surface can be engineered in frequency selective absorption array areas of an extensive THz region from 1.0 to 6.0 THz. The technological process is based on a single resist layer used as hard mask in dry etching defined by electron beam lithography. A wide 1350 GHz cumulative bandwidth experimental absorption is measured in THz-TDS between 1.0 and 2.5 THz, only limited by the air-exposed reflectance configuration. These results pave the way to implement finely tuned selective surfaces based on semiconductors to enhance light-matter interaction in the THz region.

Исследованы электрические и низкочастотные шумовые характеристики одиночных фотодиодных гетероструктур p-InAsSbP/n-InAs, выращенных на подложках n + -InAs и помещенных в атмосферу, содержащую пары этанола. Выявлены взаимосвязи значения сопротивления гетероструктур и спектральной плотности токового шума с насыщенностью воздуха парами этанола и рассмотрены возможные причины такой взаимосвязи. Ключевые слова: InAs-фотодиоды, датчики углеводородов, низкочастотный шум, природный окисел на поверхности InAs, поверхностно-чувствительные структуры.