图1 沿Ga面和N面生长的GaN材料晶体晶格结构示意图
如图1所示，纤锌矿的Ⅲ族氮化物晶体中的Ga原子和N原子的对称性很低，而纤锌矿的Ⅲ族氮化物晶体又为离子型晶体，由于这种不对称性使晶体内部偏离的正负离子（Ga原子和N原子）产生偶极矩，引起离子极化，这种效应被称为自发极化。同时，当晶体受外应力作用时，晶体结构沿c-轴[0001]会发生应变，使正负离子的不对称性加大，这使得由其偏移产生的偶极矩加大，这种效应就是所谓的压电极化。进一步地，Ⅲ族氮化物晶体材料的压电极化系数受其纤锌矿晶体的高离子性的影响，比其他Ⅲ-V族化合物材料的压电极化系数高出一个数量级，而AlGaN/GaN HEMT正是利用了此特性而制作，并得到了一系列优良的器件特性。
六方纤锌矿Ⅲ族氮化物材料的晶格结构参数主要有a、c和u；其中a为纤锌矿结构六方体晶格位于密排面（basal plane）晶格常数，c为垂直于密排面方向上的晶格常数，u为Ⅲ族氮化物材料中Ga离子与N离子之间的最短距离再除以垂直于密排面方向上的晶格常数c。而当Ⅲ族氮化物晶格受到外加应力时，位于密排面的晶格常数a和垂直于密排面方向的晶格常数c都会根据外力的大小发生变化，最终会导致晶体的压电极化强度随之变化。当Ⅲ族氮化物晶体的晶格受到张应力时，直于密排面方向的晶格常数c会减小而位于密排面上的晶格常数a会增大；反之受到压应力时，垂直于密排面的晶格常数c会增大而位于密排面上的晶格常数a会减小。
纤锌矿Ⅲ族氮化物的的压电极化强度PPE可以用下式来表示[61,62]：
PPE=e33ɛz+e31(ɛx+εy) (1)
其中，e31和e33分别为纤锌矿Ⅲ族氮化物材料的压电系数，大小只与材料本身有关；晶体沿c-轴[0001]方向受到的外加应力由εz表示，垂直于c-轴[0001]方向的平面内沿x和y方向受到的外加应力分别为εx和εy。三个方向的外加应力εx、εy和εz可以通过材料受到外加应力时材料的晶格常数的变化率来表征：
其中，当晶体晶格结构未受到外加应力时的密排面上和垂直密排面方向上的本征晶格常数分别记为a0和c0；进一步地，当晶体晶格结构受到外加应力时的密排面上和垂直于密排面方向上的晶格常数分别极为a和c。并且，密排面上的晶格常数a和垂直于密排面方向上的晶格常数c可以通过材料自身的参数关系式互相转换：
其中，C13和C33分别为Ⅲ族氮化物材料的弹性张量，大小只与材料本身有关。
综合以上各式(1)到(4)，将晶格所受的外力由晶体自身的材料参数来表示，则[0001]方向的Ⅲ族氮化物压电极化强度PPE在考虑晶格迟豫时可以用下式表示：
其中R为Ⅲ族氮化物材料的晶格迟豫度，当R=1时晶格完全迟豫，主要发生在Ⅲ族氮化物材料足够厚时，其受外应力的影响很小，此时Ⅲ族氮化物晶体内并不存在压电极化效应。
根据晶体的极性，按照惯例我们记沿c-轴平行于[0001]方向的晶体正电荷中心（Ga原子）到负电荷中心（N原子）的方向（即Ga面到N面的方向）为极化矢量的正方向，而N面到Ga面的方向记为极化矢量的负方向。则根据此定义Ⅲ族氮化物的自发极化强度PSP均为负值。在Ga面AlGaN/GaN异质晶体材料中，由于AlGaN生长在GaN材料上，因为下方的GaN材料足够厚，使其受到的应力分散而完全弛豫，根据式（5），GaN材料不存在压电极化，只存在自发极化，且自发极化强度为负值。在GaN材料上生长的AlGaN材料，受到下方GaN材料的拉应力，根据式（5），此时AlGaN晶体材料的压电极化强度PPE为负值，与自发极化强度相叠加，则此时AlGaN材料的极化总强度P可以等效为二者之和：
P=PSP+PPE (6)
此时Ga面AlGaN/GaN异质结构的极化矢量方向如图2，三个极化强度的方向均从Ga面指向N面；同理，可推得N面AlGaN/GaN异质结构的极化矢量方向，三个极化强度的方向均从N面指向Ga面。
图2 受到拉应力时沿Ga面和N面生长的AlGaN/GaN异质结结构的极化矢量方向