高度なOghmaNanoシミュレーションファイル形式のリファレンス

このページでは、OghmaNanoのsim.jsonファイル形式について詳細に説明している。具体的には、デバイス定義の構造、電気的・光学的材料モデル、Luaスクリプト、ドーピング、コンタクト、電圧走査、メッシュ設定および数値パラメータなどである。また、各種パラメータトークンやJSONキーの検索可能なリファレンスも掲載している。本書は高度な技術リファレンスであり、JSONの基礎説明やウェブブラウザでファイルを開く方法を解説するものではない。

本リファレンスは人間およびAIアシスタント双方を対象として作成されている。人間のユーザーはシミュレーションの編集に際して表や例を参照できる。一方AIアシスタントは、既存の正常に動作するシミュレーションを新たなデバイス用に変更する際に、記載されているパス情報や指示が記されたボックスを利用できる。両者にとって同一のHTMLページがリファレンスとして機能する。

適用範囲：検証済みと判定されたネスト構造のパスは、正常に動作するOghmaNano v8.1のサンプルから抽出されたものです。またトークンカタログには、提供されたパラメータ辞書から取得した名称も含まれていますが、これらがすべてのバージョンやシミュレーションタイプにおいて編集可能なパスであるとは限りません。

1. AIアシスタントと本リファレンスの併用方法

本技術リファレンスは、OghmaNanoシミュレーションの作成または修正を行う人間のユーザーおよびAIアシスタント双方を対象としている。ここでは実際に動作するOghmaNano v8.1の例で用いられているJSONパスを記載し、付随するパラメータ辞書も含めている。本資料は参照用のものであり、実行可能なスキーマや実際のシミュレーションファイルの代替品ではない。また、あらゆるデバイス構造や物理モデルがサポートされているわけではない。

完全なトークンカタログは セクション11 に記載されている。多くの辞書エントリは、提供されるサンプル内で直接編集可能なキーというよりは出力内容やGUIコントロールのラベルであり、カタログ内に記載されているからといって必ずしも編集可能なJSONパスであることを意味するわけではない。

2. トップレベルオブジェクトとシミュレーションの選択

この実例には、最上位レベルのオブジェクトであるelectrical_solver、thermal、exciton、fits、parasitic、hard_limit、perovskite、singlet、circuit、gl、gui_config、world、ml、scansならびにドキュメントのメタデータも含まれている。これらのセクションの有無や内容は、バージョンやシミュレーションの種類によって異なる場合がある。新規デバイスにとって関連性がないからといって、見慣れないセクションを削除してはならない。

{
  "sim": { "simmode": "segment0@jv" },
  "sims": {
    "jv": {
      "segments": 1,
      "segment0": {
        "config": { "Vstart": 0.0, "Vstop": 2.2, "Vstep": 0.025 }
      }
    }
  }
}

上記の断片は既存のパスを示しているに過ぎず、完全なシミュレーションファイルではありません。

3. セグメントのコレクション、IDおよびデータ型

コレクションは数値型の segments フィールドによって表され、segment0、segment1 といった順番通りに番号付けされたオブジェクトから構成されます。4つのセグメントを含むコレクションには、それに対応する4つの子セグメントオブジェクトが必ず存在しなければなりません。各オブジェクトには、識別用として id フィールドを設定することも可能です。新規オブジェクトを作成またはコピーする際には、必要に応じて新しい一意なIDを割り当て、変更されていないオブジェクトのIDはそのまま維持する必要があります。

{
  "segments": 2,
  "segment0": { "name": "Layer A", "id": "id0123456789abcdef" },
  "segment1": { "name": "Layer B", "id": "idfedcba9876543210" }
}

4. エピタキシー：幾何形状、組成およびドーピング

層の定義内容は epitaxy.segmentX に保存されており（X座標の始点はゼロ）、コンタクト情報は epitaxy.contacts.segmentX に個別に保存される。提供されているGaAsの作業例においては、y0 が開始位置、dy が層の厚さであり、いずれも単位はメートルである。デバイスに意図的に物理的な隙間が設けられていない限り、層の境界は連続している必要がある。

均一なp型領域では、正の値のNa0およびNa1が設定され、Nd0 = Nd1 = 0も同様に正の値となります。一方、均一なn型領域ではNd0およびNd1が用いられます。本質型領域の場合は、これら4つのドーピング値すべてをゼロに設定することも可能です。編集作業を行う前に、選択した初期シミュレーションにおいて追加のドーピング設定や界面パラメータが有効になっているかどうかを確認してください。

5. 電気的特性用のLua材料スクリプト

作業用のGaAsサンプル例においては、各半導体層がshape_dos配下にあるprogramオブジェクトを利用して対応する電気的特性用Lua材料モデルを有効化している。ファイル名はdefault_program_pathに記載されている。該当例ではインラインのprogramフィールドは空文字列となっている。スクリプトパスは電気的材料データベースを基準とした相対パスであり、観測された例では先頭に./が付加されていない。

"shape_dos": {
  "program": {
    "enabled": "True",
    "program": "",
    "default_program_path": "Inorganic/AlGaAs/AlGaAs.lua",
    "font_size": 12
  }
}

これはネスト構造を持つスクリプト選択フィールドの例である。実際のセグメントにおいては、既存のshape_dosフィールドはすべてそのままにしておく必要がある。

Luaスクリプトで定義される材料パラメータの上書き処理

OghmaNanoでは、epitaxy.segmentX.shape_dos.db_overridesを利用することでLuaスクリプトによって算出された個々の材料パラメータを上書きすることが可能である。これにより、全体的な材料データベースを変更することなく、再結合率やキャリア移動度といった特定のパラメータを調整しつつ、標準的な材料モデルを使用できる。

例えば、放射再結合係数を上書きする場合は以下のようにします：

"free_to_free_recombination": 1e-16,
"db_overrides": {
    "free_to_free_recombination": "true",
    "Eg": "false",
    "Xi": "false"
}

6. 光学材料データセットと発光特性

エピタキシャル層用の光学データセットは epitaxy.segmentX.absorption.nk_data にて選択される。提供される光学材料のリストには /alpha.csv で終わるパスが記載されているが、nk_data で使用されるディレクトリ参照情報を得るためにはその接尾辞を除去する必要がある。電気的特性を定義する Lua モデルと光学データセットは別々の参照先であり、必ずしも同一のパスである必要はない。

x = 0.315に記載されている光学データセットは、x = 0.30のAlGaAs電気モデルに対する近似的な組成情報に過ぎます。これを厳密に一致するものとして扱わないよう注意してください。光学的計算において適切な波長範囲が必要な場合は、optical.mesh.mesh_lで指定されている波長メッシュを利用してください。またこの例では、光学空間メッシュ用のデータとしてoptical.mesh.mesh_yも含まれています。

電気的に駆動されるLEDの場合、既存の光源設定を用いることで外部からの光照射を無効化できる。このサンプルにはoptical.light_sources.Psunが含まれている。また、該当層にはshape_pl.pl_emission_enabledおよび関連する発光設定も存在する。ただし、発光出力が有効化されたからといって、モデルがスペクトル線形状や自発放射の物理現象、外部量子効率を正しく再現していることにはならない。使用しているシミュレーションモードでどのオプションがサポートされているかを必ず確認すること。

7. 電極と電圧極性

電気的コンタクトは任意の層のドーピングを変更することで定義されるのではなく、epitaxy.contacts内で定義されます。提供されている作業用ファイルには2つのコンタクトが存在し、それぞれに個別のネストされたcontactオブジェクトが設定されています。上部端子はy0に、下部端子はy1に位置しています。実際の電圧の極性は、これらの端子におけるapplied_voltage_typeの設定に従って決定されます。

"contacts": {
  "segments": 2,
  "segment0": {
    "contact": {
      "position": "y0",
      "applied_voltage_type": "change",
      "majority": "hole",
      "minority": "electron",
      "majority_model": "ohmic",
      "minority_model": "ohmic"
    }
  },
  "segment1": {
    "contact": {
      "position": "y1",
      "applied_voltage_type": "ground",
      "majority": "electron",
      "minority": "hole",
      "majority_model": "ohmic",
      "minority_model": "ohmic"
    }
  }
}

コンタクトの定義内容：実際の作業用ファイルにおいては省略されたフィールドも依然として必須となります。

8. 電気的メッシュと光学的メッシュの整合性

提供されているドリフト拡散シミュルーション例において、電気的なy方向メッシュはelectrical_solver.mesh.mesh_yの下に存在します。各メッシュセグメントにはメートル単位のlen、points、mul、left_right、idおよび関連するフィールドが設定されています。一方、光学的な空間メッシュはoptical.mesh.mesh_yの下にある別のオブジェクトです。層の厚みを変更したからといって、すべてのメッシュ設定が自動的に更新されるとは限りません。

"mesh_y": {
  "enabled": "True",
  "auto": "True",
  "icon_": "y",
  "segments": 4,
  "segment0": { "len": 2e-7, "points": 30.0 },
  "segment1": { "len": 3e-7, "points": 50.0 },
  "segment2": { "len": 2e-7, "points": 30.0 },
  "segment3": { "len": 1e-7, "points": 20.0 }
}

上記の各フィールドは、厚さ800ナノメートルの4層構造デバイスにおけるメッシュ長さおよび点の数を示していますが、これは完全な mesh_y オブジェクトではありません。

9. 物理的解釈および裏付けのない仮定

解析可能なJSONファイルは構文的な妥当性のみを保証するに過ぎない。ドリフト拡散輸送、材料特性、放射再結合、光学特性はそれぞれ独立したモデリング課題である。例えば、AlGaAs/GaAsの二重ヘテロ構造においては、単に妥当そうな層構成が記載されているだけでは不十分で、両界面において適切なキャリア閉じ込めが実現されている必要がある。指定された組成および温度条件下で材料スクリプトによって算出されるバンドギャップ、電子親和力、輸送パラメータを必ず確認すべきである。

TOPCon太陽電池、MOSFET、バイポーラトランジスタ、量子井戸構造を持つLEDといったより複雑なデバイスでは、トンネリング現象、酸化物層の静電的特性、多端子接続、量子閉じ込め効果、界面トラップ、あるいは特定の初期シミュレーションでは対応できないその他の境界条件が必要となる場合がある。実際に動作する例や公式ドキュメントで必要な物理現象が示されていない場合は、無理にJSONフィールドを新規作成するのではなくその不足点を明確にすべきである。また、適切な再結合モデルや光取り出しモデルが存在しない状態で、光放射計算結果を校正済みのデバイス効率として提示することは適切ではない。

10. 検証チェックリストとトラブルシューティング

シミュレーションファイルを編集した後、JSONの構文、すべてのセグメントコレクションの構造、ベースファイルとの相対的な型定義、およびデバイス固有の物理的制約を検証する必要がある。例えば、以下のPythonコードはOghmaNanoのAPIを使用せずに通常のsegmentsコレクションをチェックする。ただし、このチェックによってOghmaNanoがモデルを確実に実行できるとは限らない。

import json
import re
from pathlib import Path

sim = json.loads(Path("sim.json").read_text(encoding="utf-8"))

def check_segments(obj, location="root"):
    if isinstance(obj, dict):
        if isinstance(obj.get("segments"), int):
            count = obj["segments"]
            actual = {
                int(key[7:]) for key in obj
                if re.fullmatch(r"segment[0-9]+", key)
            }
            expected = set(range(count))
            if actual != expected:
                raise ValueError((location, count, sorted(actual)))
        for key, value in obj.items():
            check_segments(value, location + "." + key)

check_segments(sim)
print("JSON and segment counts look consistent")

もしトークンのJSON上の位置や意味が不明な場合は、グラフィカルインターフェース上で該当する制御項目を編集しファイルを保存した後、編集前後のsim.jsonファイルを比較してください。これは単にパラメータ名からパスを推測するよりも信頼性が高い方法です。

11. OghmaNano用JSONトークン完全リファレンス（A～Z）

これがOghmaNanoのパラメータトークンおよびJSON構造キーに関する唯一の参照資料である。提供されたパラメータ辞書に記載された985項目に加え、実際のOghmaNano v8.1 sim.json実行例で確認された382の追加キーも含まれている。合計1,367行すべてがアルファベット順に整理されており、構造や材料スクリプトに関する情報を確認するための別個のリストは存在しない。

各トークンの説明内容、単位、および定義可能なオプションは提供された辞書に基づいています。実際のシミュレーションでのみ確認されたキーについては、その意味が確定していない場合でも控えめな説明を付記しています。記載されているJSONパスおよびデータ型は実際の実行例から得られた観測値に過ぎず、すべての場所やOghmaNanoの各バージョンにおいて同じ名称が有効であることを保証するものではありません。一部のトークンは編集可能なシミュレーション入力値ではなく、出力フィールドやユーザーインターフェース上の制御項目である場合もあります。また、辞書内の3つのエントリであるRa[0-9]、Rq[0-9]、Rp[0-9]はトークンパターンとして定義されています。