単分子トランジスタは、第1電極層と第1電極層の一端部に配置された第1金属粒子とを有する第1電極と、第2電極層と第2電極層の一端部に配置された第2金属粒子を有する第2電極と、第1電極及び第2電極から絶縁された第3電極と、π共役骨格を有するπ共役分子とを含み、第1電極と第2電極とは、第1金属粒子と第2金属粒子とが対向し間隙をもって配置され、第1金属粒子及び第2金属粒子の一端から他端までの幅が10nm以下であり、第3電極は第1金属粒子と第2金属粒子とが対向する間隙に隣接し、第1金属粒子及び第2金属粒子と離隔して配置され、π共役分子は第1金属粒子と第2金属粒子との間隙に配置されている。前記π共役分子は前記第1金属粒子と前記第2金属粒子との間隙に配置されていることを特徴とする単分子トランジスタ。[請求項2]前記第1金属粒子と前記第2金属粒子との間隙の長さが5nm以下である、請求項1に記載の単分子トランジスタ。[請求項3]前記第1電極層及び前記第2電極層は白金を含み、前記第1金属粒子及び前記第2金属粒子が金である、請求項1又は2に記載の単分子トランジスタ。[請求項4]前記π共役分子の長さは5nm未満である、請求項1に記載の単分子トランジスタ。[請求項5]前記π共役分子は、π共役骨格の一端と他端に、前記第1金属粒子又は前記第2金属粒子と化学結合する元素を含む、請求項1に記載の単分子トランジスタ。n-)を含む、請求項5に記載の単分子トランジスタ。2)である、請求項1に記載の単分子トランジスタ。[請求項8]前記末端がチオール基で置換された炭素架橋オリゴフェニレンビニレンのユニット数が1~10である、請求項7に記載の単分子トランジスタ。[請求項9]前記第1金属粒子及び前記第2金属粒子の一方と、前記π共役分子の一端とが化学吸着している、請求項1に記載の単分子トランジスタ。[請求項10]前記第1金属粒子及び前記第2金属粒子は金(Au)を含み、前記π共役分子の一端で硫黄(S)と金(Au)とが化学吸着している、請求項1に記載の単分子トランジスタ。[請求項11]前記π共役分子の他端は、硫黄(S)と水素(H)とが結合している、請求項10に記載の単分子トランジスタ。[請求項12]前記第1金属粒子及び前記第2金属粒子は金(Au)を含み、前記π共役分子の両端で硫黄(S)と金(Au)とが化学吸着している、請求項1に記載の単分子トランジスタ。[請求項13]前記第1電極と前記第2電極との間に共鳴トンネル電流が流れる、請求項1に記載の単分子トランジスタ。前記ナノギャップ電極間に共鳴トンネル電流が流れることを特徴とする単分子トランジスタ。[請求項15]前記一対の金属粒子の一端から他端までの幅が10nm以下である、請求項14に記載の単分子トランジスタ。[請求項16]前記機能分子は、π共役分子である、請求項14に記載の単分子トランジスタ。[請求項17]前記機能分子は、剛直な骨格で構成されたπ共役分子であり、請求項14に記載の単分子トランジスタ。[請求項18]前記π共役分子は、炭素(C)架橋を有するπ共役骨格を有する、請求項16に記載の単分子ランジスタ。2)である、請求項18に記載の単分子トランジスタ。[請求項20]前記前記末端がチオール基で置換された炭素架橋オリゴフェニレンビニレンのユニット数が1~10である、請求項19に記載の単分子トランジスタ。[請求項21]前記金属粒子が金(Au)であり、前記π共役分子の少なくとも一方の硫黄(S)と、前記金属粒子の金(Au)とが化学吸着している、請求項14、18又は19に記載の単分子トランジスタ。[請求項22]前記π共役分子の骨格部分と前記一対の金属粒子とが、トンネル電流が流れる長さで離隔されている、請求項12又は14に記載の単分子トランジスタ。[請求項23]前記π共役分子の骨格部分と前記一対の金属粒子とが、トンネル電流が流れる長さで離間する部分が、π共役骨格と化学吸着する元素の間の請求項6の基で構成されている請求項12又は14に記載の単分子トランジスタ。[請求項24]前記、請求項6の基の骨格が、両末端が化学結合した架橋構造を形成することにより、直線状に伸張している請求項12又は14に記載の単分子トランジスタ。[請求項25]前記ゲート電極に一定電圧を印加し、前記ナノギャップ電極間の一方をソース、他方をドレインとしたときの電流電圧特性が温度の上昇に伴いオンオフ比が大きくなるように変化する、請求項14に記載の単分子トランジスタ。n-SH)で置換されたSi架橋キノイド型縮合オリゴシロール誘導体(Si-2×2)である、請求項1に記載の単分子トランジスタ。[請求項27]オン状態におけるコンダクタンスが1μS以上である、請求項1に記載の単分子トランジスタ。[0001]本発明は分子デバイスに係り、チャネルに相当する領域が分子で構成され、量子効果により電子又は正孔が流れるトランジスタに関する。[0002]半導体集積回路は、微細化技術の進歩に伴って著しい発展を遂げている。微細化に伴って幾つかの問題も顕在化している。増大、配線の高密度化による寄生容量増大といった様々な問題が指摘されている。[0003]このような技術的進歩の限界に直面し、材料を加工し微細化するトップダウン的手法ではなく、物質の最小単位である原子や構造が定義されている分子からデバイスを構成するボトムアップ的な手法、又はボトムアップ手法とトップダウン手法を組み合わせることによる新しい電子デバイスを実現する研究が進められている。数ナノメートルのギャップ長を有すナノギャップ電極を用い、ギャップ間に単一のナノ粒子や単分子を配置したナノデバイスの研究が進められている(非特許文献1乃至9参照。[0005]本発明は、共鳴トンネル効果を発現する単分子トランジスタを提供することを目的とする。[0006]本発明の一実施形態に係る単分子トランジスタは、第1電極層と第1電極層の一端部に配置された第1金属粒子とを有する第1電極と、第2電極層と第2電極層の一端部に配置された第2金属粒子を有する第2電極と、第1電極及び第2電極から絶縁された第3電極と、π共役骨格を有するπ共役分子とを含み、第1電極と第2電極とは、第1金属粒子と第2金属粒子とが対向し間隙をもって配置され、第1金属粒子及び第2金属粒子の一端から他端までの幅が10nm以下であり、第3電極は第1金属粒子と第2金属粒子とが対向する間隙に隣接し、第1金属粒子及び第2金属粒子と離隔して配置され、π共役分子は第1金属粒子と第2金属粒子との間隙に配置されている。[0007]本発明の一実施形態に係る単分子トランジスタは、5nm以下の間隙をもって一対の金属粒子が配置されたナノギャップ電極と、一対の金属粒子の間隙に配置された機能分子と、一対の金属粒子の間隙に隣接して配置され、機能分子に電場の作用を与えるゲート電極とを含み、ナノギャップ電極間に共鳴トンネル電流が流れる。[0008]本発明の一実施形態によれば、一対の金属粒子が相対するナノギャップ電極の間隙にπ共役分子を配置することで、共鳴トンネル電流が流れるトランジスタを実現することができる。本発明の一実施形態に係る単分子トランジスタの概念を示す。共鳴トンネル効果を説明するバンドモデルを示す図であり、Vg=0の状態を示す。共鳴トンネル効果を説明するバンドモデルを示す図であり、Vg>0の状態を示す。オリゴフェニレンビニレンの構造であって、3つのビニレン部位を有するオリゴフェニレンビニレン(OPV3)を示す。オリゴフェニレンビニレンの構造であって、3つのビニレン部位を有するオリゴフェニレンビニレンにおいてOPVユニットの結合部を炭素原子で架橋した構造(COPV3)を示す。末端がチオール基で置換された炭素架橋オリゴフェニレンビニレンの分子構造の三次元イメージを示す。末端をチオール基で置換した炭素架橋オリゴフェニレンビニレンの分子軌道を、汎密度関数法を用いて計算した結果を示す。本発明の一実施形態に係る単分子トランジスタの平面図を示す。図6Aにおいて点線で囲まれた領域Rの拡大図を示す。図6AにおいてA1-A2間に対応する断面図を示す。本発明の一実施形態に係る単分子トランジスタの構成を説明する図であり、COPVnの一端のSH結合が切れて、硫黄(S)と金(Au)とが化学結合をして電極間に配置される態様を示す。本発明の一実施形態に係る単分子トランジスタの構成を説明する図であり、COPVnの両端の硫黄(S)が金(Au)とそれぞれ化学結合をして電極間に配置される態様を示す。本発明の一実施形態に係る単分子トランジスタの構成を説明する図であり、COPVnが化学結合を形成せず電極間に遊離した状態で配置されている状態を示す。本発明の一実施形態に係る単分子トランジスタの作製方法を説明する図であり、金属膜を形成する段階を示す。本発明の一実施形態に係る単分子トランジスタの作製方法を説明する図であり、金属膜をパターニングしてナノスケールの間隙を有する電極を形成する段階を示す。本発明の一実施形態に係る単分子トランジスタの作製方法を説明する図であり、金属粒子を作製する段階を示す。実施例で作製された単分子トランジスタのSEM像を示す。単分子トランジスタにおいて、ナノギャップ電極の間隙に単分子が配置された状態を示す概念図を示す。実施例で作製された単分子トランジスタの電気的特性を示し、(A)はドレイン電流(Id)対ドレイン電圧(Vd)特性を示し、(B)は微分コンダクタンス特性を示すグラフを示す。実施例で作製された単分子トランジスタのゲート電圧(Vg)を、0V、2V、4V、6V、-2V、-4V、-6V、-8Vと変化させた場合の特性を示す。実施例で作製された単分子トランジスタのドレイン電圧(Vd)対ゲート電圧(Vg)特性を二次元プロットした結果を示す。単電子トランジスタにおけるオーソドックスモデルを用いた理論解析結果と実験結果の比較結果を示す。実施例で作製された単分子トランジスタのドレイン電流(Id)対ドレイン電圧(Vd)特性を示す。実施例で作製された単分子トランジスタのドレイン電流(Vd)対ゲート電圧(Vg)を二次元プロットした結果を示す。実施例で作製された単分子トランジスタの伝達特性を示すグラフであり、ドレイン電圧(Vd)が-1.4Vの場合の温度依存性(9K、80K)を示す。実施例で作製された単分子トランジスタの伝達特性を示すグラフであり、ドレイン電圧(Vd)が-1.7Vの場合の温度依存性(9K、80K)を示す。実施例で作製された単分子トランジスタのゲート電圧(Vg)を+6V、-6V印加した場合のドレイン電流(Id)対ドレイン電圧(Vd)特性を示す。単分子トランジスタの9Kと120Kのエネルギーダイアグラムを説明する概念図を示す。実施例で作製された単分子トランジスタのSEM像を示す。実施例で作製された単分子トランジスタの電気的特性を示し、(A)はドレイン電流(Id)対ドレイン電圧(Vd)特性を示し、(B)はドレイン電流(Id)対ドレイン電圧(Vd)の対数特性を示し、(B)は微分コンダクタンス特性を示すグラフを示す。2の分子軌道を、汎密度関数法を用いて計算した結果を示す。実施例で作製された単分子トランジスタのドレイン電流(Id)対ゲート電圧(Vg)特性を示す。実施例で作製された単分子トランジスタのドレイン電流(Id)対ゲート電圧(Vg)特性を示す。実施例で作製された単分子トランジスタの微分コンダクタンス特性のゲート電圧依存性を示す。実施例で作製された単分子トランジスタのドレイン電流(Id)対ドレイン電圧(Vd)特性を室温で測定した結果を示す。実施例で作製された単分子トランジスタの室温で測定されたドレイン電流(Id)対ゲート電圧(Vg)特性を示す。Si-2×2ペンタチオール分子の分子軌道を、汎密度関数法を用いて計算した結果を示す。実施例で作製された単分子トランジスタのドレイン電流(Id)対ドレイン電圧(Vd)特性を示す。実施例で作製された単分子トランジスタの9Kにおけるドレイン電流(Id)対ゲート電圧(Vg)特性のドレイン電圧(Vd)依存性を示す。実施例で作製された単分子トランジスタの室温におけるドレイン電流(Id)対ゲート電圧(Vg)特性のドレイン電圧(Vd)依存性を示す。実施例で作製された単分子トランジスタの9Kにおけるドレイン電流(Id)及び微分コンダクタンスのドレイン電圧(Vd)及びゲート電圧(Vg)に対する二次元プロットを示す。実施例で作製された単分子トランジスタの室温におけるドレイン電流(Id)及び微分コンダクタンスのドレイン電圧(Vd)及びゲート電圧(Vg)に対する二次元プロットを示す。実施例で作製された単分子トランジスタの室温におけるドレイン電流(Id)及び微分コンダクタンスのドレイン電圧(Vd)及びゲート電圧(Vg)に対する二次元プロットを示す。[0010]以下、本発明の実施の形態を、図面等を参照しながら説明する。本発明は多くの異なる態様で実施することが可能であり、以下に例示する実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。図面は説明をより明確にするため、実際の態様に比べ、各部の幅、厚さ、形状等について模式的に表される場合があるが、あくまで一例であって、本発明の解釈を限定するものではない。本明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には、同一の符号(又は数字の後にa、bなどを付した符号)を付して、詳細な説明を適宜省略することがある。各要素に対する「第1」、「第2」と付記された文字は、各要素を区別するために用いられる便宜的な標識であり、特段の説明がない限りそれ以上の意味を有さない。[0011]本明細書において、ナノギャップ電極とは、特段の断りがない限り、一対の電極間に間隙(ギャップ)を有し、間隙の長さ(ギャップ長)がナノギャップ長を有する電極をいうものとする。ナノギャップ長とは10nm以下の長さを指すものとする。単分子トランジスタの構造モデル本発明の一実施形態に係る単分子トランジスタについて図面を参照して説明する。[0013]図1は、本発明の一実施形態に係る単分子トランジスタの概念図を示す。単分子トランジスタ100は、ナノギャップ電極102と、ナノギャップ電極102の間隙に隣接して配置されるゲート電極112と、間隙に配置される機能分子110とを含む。単分子トランジスタ100は、ゲート電極112にゲート電圧が印加され、ナノギャップ電極102にゲート電圧によって変調される電流が流れる。機能分子110はゲート電極112から絶縁され、ゲートバイアスによって生成される電場が作用する領域に配置される。[0014]ナノギャップ電極102は、第1電極104aと第2電極104bとを含む。第1電極104aと第2電極104bとは、単分子を配置できる間隙を有するようにそれぞれの一端が対向して配置される。第1電極104aと第2電極104bとの間隙は、例えば、5nm又はそれ以下の長さで配置される。ナノギャップ電極102は、第1電極104aがソース電極、第2電極104bがドレイン電極として用いられる。第1電極104aにはソース電圧が印加され、第2電極104bにはドレイン電圧が印加され、ゲート電極112にはゲート電圧が印加される。[0015]機能分子110は、構造が一意的に規定される単分子であり、単分子固有の分子軌道を有する。機能分子110は、剛直でフラットな構造を有し、ねじれに強い形を有していることが好ましい。機能分子110は、ナノギャップ電極102の一方又は双方の電極(第1電極104a、第2電極104b)に化学吸着し又は結合を形成することで固定される。[0016]図1は、機能分子110の一例として、炭素架橋フェニレンビニレン化合物を示す。例示される機能分子110において、nは、例えば0~9の整数を表す。8は、それぞれ同一であってもよいし異なっていてもよい。8はそれぞれ同一又は異なる、置換されていてもよいアリール基であってもよい。アリール基は、フェニル基又はナフチル基等の炭化水素系アリール基であるのことが好ましい。中でもフェニル基が好ましい。アリール基は、1以上の置換基を有していてもよい。10)のアルコキシ基、及びフェニル基等のアリール基が含まれる。置換基としてのアリール基も、上記アルキル基又はアルコキシ基等の1以上の置換基を有していてもよい。8がそれぞれ置換基を有するフェニル基である例では、置換基の結合位置については特に制限ないが、パラ位の炭素原子に結合しているのが好ましい。2)が含まれていてもよい。2)は、ナノギャップ電極102と化学吸着する原子を含む。2)と機能分子の骨格部分とを繋ぐ基であり、例えば直鎖によって形成される。n-)を用いることができる。2)の長さを変えることで、機能分子110の骨格部分とナノギャップ電極102との距離を変えることができる。2)が配置される部分は、実質的にトンネル障壁116が形成される。[0018]本実施形態に係る単分子トランジスタ100は、剛直な構造を有し、ねじれに強い形を有する機能分子110と、熱的に安定なナノギャップ電極102とにより、構造的ゆらぎと状態密度幅のゆらぎを抑制している。単分子トランジスタ100は、このような剛直な構造を有することにより、共鳴トンネル効果を発現し、ナノギャップ電極102間に共鳴トンネル電流が流れる。述べる共鳴トンネル効果とは、ある分子が2つのポテンシャル障壁に挟まれた構造を有し、入射する電子のエネルギーが分子軌道に基づくエネルギー準位と一致したとき、電子がエネルギーの減衰無く障壁を通り抜ける量子現象をいう。単分子トランジスタ100は、機能分子110が持つ固有の分子軌道のエネルギー準位を、ゲート電極112に印加するゲート電圧で変調し、ナノギャップ電極102のフェルミ準位と一致させることにより、オンとオフの状態が制御される。[0020]図2A及び図2Bは、共鳴トンネル効果を説明するバンドモデルを示す。Orbital:LUMO))を持つ機能分子110が2つのトンネル障壁116に挟まれている系を示す。縦軸がエネルギー、横軸が空間に相当する距離を表す。LUMOに対応する斜線で囲まれた領域と交差する位置における右端からの線の長さが、そのエネルギーにおける分子軌道のエネルギー準位密度に対応する。図2Aでは、2つのトンネル障壁116が同じ高さである場合を仮定している。電圧が印加されないとき(V=0)、電子はトンネル障壁116を乗り越えることができず電流は流れない。図2Bに示すように、ナノギャップ電極102に電圧が印加され、フェルミ準位が機能分子110の持つエネルギー準位と等しくなると、トンネル確率が増加して電流が流れる。図2Bでは、ナノギャップ電極102のフェルミ準位が機能分子のHOMO準位と等しくなった状態で、共鳴トンネル電流が流れる現象を示している。[0021]共鳴トンネル効果を効果的に発現させるには、離散化したエネルギー準位の状態密度が大きく、その幅が狭く、揺らぎが小さいことが求められる。分子は、ナノスケールでの均一性と離散化したエネルギー準位を持ち、そのエネルギー準位は分子設計によって制御することが可能である。分子の持つエネルギー準位は状態密度に幅があり、分子構造が揺らげば状態密度の幅も揺らいでしまう。分子構造が揺らいでしまうと、常温でトランジスタを動作させることが出来ないという問題がある。[0022]そこで、本実施形態では、π共役分子の構造が剛直であり、π軌道を通じて電子移動が見込まれることに着目し、機能分子110としてπ共役分子を用いる。機能分子110として、炭素(C)で架橋されたπ共役骨格を有するπ共役分子は、剛直な骨格構造を有していると考えられるため、共鳴トンネル効果を発現するには好ましいと考えられる。110として用いることのできる、π共役分子の一例を示す。ここでは、π共役結合による剛直な平面構造を有する炭素架橋オリゴフェニレンビニレンを例示する。炭素架橋オリゴフェニレンビニレン機能分子110の一例として、オリゴフェニレンビニレン(OPV)について説明する。図3Aは3つのビニレン部位を有するオリゴフェニレンビニレン(OPV3)を示す。OPV3は、ユニットを繋ぐ結合部が隣接する水素原子により影響を受け、平面構造をとりにくい構造を有している。OPV3は、水素原子の反発により結合がねじれ、平面構造をとりにくい構造を有している。図3Bは3つのビニレン部位を有するオリゴフェニレンビニレンにおいて、OPVユニットの結合部を炭素原子で架橋した構造を有する(COPV3)。COPV3は、このような構造を有することで、平面構造を有し、ねじれにくい分子構造を実現している。2)の構造を式(1)に示す。20は、それぞれ同一であってもよいし異なっていてもよい。20はそれぞれ同一又は異なる、置換されていてもよいアリール基であってもよい。アリール基は、フェニル基又はナフチル基等の炭化水素系アリール基であるのことが好ましい。中でもフェニル基が好ましい。アリール基は、1以上の置換基を有していてもよい。10)のアルコキシ基、及びフェニル基等のアリール基が含まれる。置換基としてのアリール基も、上記アルキル基又はアルコキシ基等の1以上の置換基を有していてもよい。20がそれぞれ置換基を有するフェニル基である例では、置換基の結合位置については特に制限ないが、パラ位の炭素原子に結合しているのが好ましい。2はそれぞれ同一又は異なる置換基であり、チオール基以外のものでもよい。pair)で電極に配位できるもの、もしくは元素(酸素(O)、窒素(N)、硫黄(S)、セレン(Se)、リン(P)等)を介して電極元素と共有結合を形成するものを表す。n-)等を用いることができる。2の分子構造の三次元イメージを示す。2の主鎖である炭素架橋部が中心に位置し、その周りに側鎖の炭素が配置された構造を有し、鎖状で、フラットな結合が形成されていることを示す。2)として硫黄(S)が配置されている。2の分子の長さは5nm未満である。このように、機能分子110は、5nm以下の長さを有することで、ナノギャップ電極102の間隙に配置することができ、単電子効果を発現させることができる。この分子の吸光スペクトルは512nmであり、HOMO準位とLUMO準位間のエネルギーギャップは2.42eVである。2)は、COPVユニットの数に限定はないが、1~10個の範囲であることが好ましい。2の分子軌道を、汎密度関数法を用いて計算した結果を示す。計算にはソフトウェアとして「gaussian09」を用いている。